Вне зависимости от марки аппарата УЗИ и его стоимости, он состоит из нескольких основных и несменяемых компонентов. Далее представлены основные компоненты аппарата ультразвуковой диагностики: генератор импульсов, датчик (в него встроены трансдусер и ресивер), процессор, экран.

Немаловажная роль в работе ультразвукового аппарата отводится пьезоэлектрическим кристаллам, их значение в формировании и получении звукового сигнала было распознано в годы первой мировой воды, с последующим созданием прибора «Сонар». Итак, генератор импульсов посылает электронные сигналы к пьезоэлектрическим сигналам датчика Под воздействием тока данные кристаллы подвергаются механической трансформации и излучают импульсы звука в тело пациента. Ультразвук в теле пациента подвергаются воздействию всех правил, воздействующих на звуковые волны (отражение, отклонение, ревербация, истощение и сопротивление), возвращается обратно и также воздействует на пьезоэлектрические кристаллы (расположены в датчике), где происходит обратное преобразование механической энергии в электрическую. Сочетание данных феноменов именуется как «обратный пьезоэлектрический эффект».

Преобразованная механическая энергия с пьезоэлектрических кристаллов возвращается в виде электрической энергии на процессор УЗИ аппарата. Процессор расположен в центральном корпусе аппарата УЗИ, он анализирует полученный сигнал (возвращающееся эхо), исходя из предустановленных алгоритмов – переводит информацию в пиксели, дает им подходящую интенсивность и располагает на экране монитора (иногда обманывает, создавая артефакты).

Обобщая вышесказанное, УЗИ состоит из двух основных частей – датчика и процессора, где датчик является «мышцами» оператора, а процессор его «мозгом». Далее идет более подробное описание компонентов, составляющих аппарат УЗИ.

Генератор импульсов (pulser, transmitter) аппарата УЗИ

Генератор импульсов (pulser, transmitter) посылает к пьезоэлектрическим кристаллам головки датчика точечные электрические импульсы, они преобразуются в механическую энергию в виде волн ультразвука. После каждого импульса необходимо достаточное количество времени для возвращения эха сигнала и преобразования его в электрические импульсы, также пьезоэлектрическими кристаллами. В обычных случаях время на формирование импульсов ультразвука составляет от общего менее чем 1%, и более 99% времени датчик ждет и анализирует возвращающееся эхо.

Когда кристалы пульсируют, приблизительно две или три длины волны выдается на каждый импульс до того, как возвращающийся блок в датчике тушит вибрацию. Поэтому пространственная длина импульса обычно составляет две или три длины волны. Более высокая частота выдает более короткие волны по длине, поэтому соответственно более короткие импульсы, чем датчик более низкой частоты. Длина импульса, наоборот, зависит от частоты датчика, определяет способность отделять точки вдоль оси пучка звука, именуемого как axial resolution. Длина импульса обычно составляет 0.1–1.0 mm. Осевое разрешение (axial resolution) не может быть лучше, чем половина длины волны, т.к. перекрытие возвращающегося эха отражается от тесно расположенных поверхностей.

Относительно генератора импульсов, существуют две клинически значимые точки приложения:
1. Сила звукового импульса. Оператор аппарата УЗИ может изменять вольтаж датчика используя контроль силы (power control). Другими словами, контроль силы – контроль передаваемой в тело акустической энергии (громкость в децибелах). Повышение громкости повышает силу возвращающегося эхо, что создает формирование более светлого изображения. Контроль силы – единственная регулировка, которая изменяет силу звука, входящую в тело, все другие виды контроля действуют на постобработку возвращающегося эха. Гипотетически, может оказать пользу значительное увеличение акустической энергии (увеличивает яркость изображения), однако, исходя из безопасности пациента – FDA рекомендует некоторые ограничения по выходу энергии. Допустимая акустическая энергия часто входит в предустановки аппарата, оператор лишь выбирает тот или иной вид исследования;
2. Частота повторения импульсов (pulse repetition frequency (PRF)) – также может контролироваться оператором аппарата УЗИ (крайне редко). Данный показатель определяет время между импульсами ультразвука, оно должно быть достаточным для регистрации возвращающегося эха. Это требование приобретает достаточную важность при использовании Доплера.

Датчики аппарата УЗИ

Датчик может определяться как головка сканера, он выполняет две основные функции: 1. генерирование волн ультразвука (трансмиттер или передатчик); 2. Получение отраженных звуковых волн (ресивер). Трансдусер и ресивер функционируют в датчике по отдельности (последовательно), но никак не одновременно.

Конкретная частота датчика во многом зависит от кристаллов, содержащихся в нем. Современные датчики аппарата УЗИ способны генерировать ультразвук различной частоты; данное свойство именуется как широкая пропуская способность (broad bandwidth). Диапазон производимой частоты состоит из центральной частоты, в дополнение к ней образуется ультразвук более высокой и более низкой частот. Преимущества современных технологий датчиков позволяют проводить одновременную визуализацию низких и далеких полей с волнами звука различной частоты. Это ведет к максимальному разрешению для исследования более глубоких слоев без смены датчика. Использование технологии широкой пропускной способности имеет несколько преимуществ.

С практической точки зрения, современный датчик способен изменять свою частоту, в зависимости от необходимости оператора аппарата УЗИ – повышать разрешение увеличивая частоту или повышать проникновение снижая ее.

Тип датчика (трансдусера) аппарата УЗИ

Различаются два основных типа датчиков аппарата УЗИ – механические и электронные. Механические датчики используют один пьезоэлектрический кристалл, расположенный во вращающейся головке, покрытой полупрозрачной сферой. На сегодняшний день механические датчики ушли в прошлое, и находят лишь ограниченное в некоторых сферах (пр. офтальмологическое обследование) применение. Электронные датчики состоят из множества пьезоэлектрических кристаллов (до нескольких сотен), выстроенных в определенном порядке (arrays) и управляются сигналами из процессора аппарата УЗИ. На сегодняшний день подавляющее большинство современных аппаратов ультразвукового исследования комплектуются только электронными датчиками.

Построение (array) пьезоэлектрических кристаллов определяет вид электронного датчика, область его применения и изображение на экране монитора аппарата УЗИ. Построение кристаллов может формировать различные конфигурации, исходя из этого различают линейный, криволинейные (конвекс, микроконвекс), фазированный и кольцеобразный датчики. Ниже будут описаны более подробные характеристики отдельных видов датчиков.

Линейный датчик аппарата УЗИ.

Линейные датчики имеют множество пьезоэлектрических кристаллов, выстроенных в линию в головке сканера в виде бруска. Линейные датчики выпускаются в различных вариациях частоты и размера, но отличительный признак данного вида датчиков – высокая частота ультразвука (7-13 MHz и выше) и большее поле зрения вблизи (соответственно длине датчика). Линейный датчик дает лучшее разрешение из возможного и широко используется при исследовании ближних полей. По этой причине, опытный оператор аппарата УЗИ применяет данный вид датчика во всех случаях, где это возможно. Чаще всего данный вид используется при УЗИ органов брюшной полости всех кошек и собак малого размера. Еще одной отличительной особенностью линейного датчика является формирование прямоугольного изображения на экране монитора.

Линейный датчик также обладает некоторыми недостатками, о которых будет сказано ниже. Конфигурация датчика требует относительно большой зоны контакта с кожей (footprint, отпечаток), что затрудняет расположение головки датчика под грудиной и в межреберных пространствах. Прямоугольное поле исследования имеет значительные преимущества при ультразвуковом исследовании поверхностных структур, но исследование дальних органов значительно ограничено по причине недостатка расхождения луча. Данный недостаток был преодолен в технологиях последних датчиков, они формируют трапециевидное поле исследования и соответствующее изображение на экране аппарата УЗИ. И в конце приведен основной недостаток линейных датчиков – применение ультразвука высокой частоты дает малую глубину исследования (10 см и менее).

Криволинейные датчики (конвекс и микроконвекс) аппарата УЗИ

В криволинейном датчике, кристаллы расположены в линию вдоль выпуклой (конвексной) поверхности, обычно отличаются более низкой частотой ультразвука, по сравнению с линейными датчиками. Построение вдоль выпуклой поверхности дает секторное изображение с более широкими дальними полями, чем при использовании линейного датчика. В зависимости от размера выпуклой поверхности, датчики подразделяются на конвексные и микроконвексные.

Преимущество криволинейных датчиков заключается в малой зоне контакта с кожей. Микроконвекс имеет наименьший размер и наименьшую зону контакта с кожей, доступен с достаточно высокой частотой ультразвука (пр. 3-9 MHz). Конвекс (криволинейный датчик с достаточно большим радиусом) отличается более низкой частотой ультразвука (1-8 MHz) и полезен для визуализации глубоких полей исследования. К недостаткам конвекса можно отнести достаточно большую зону контакта с кожей, это ограничивает его использование в ветеринарии мелких домашних животных, за исключением крупных и ожиревших собак.

Фазированный (секторный) датчик

Фазированный датчик выстраивает пьезоэлектрические кристаллы в короткую линейную или блоковую конфигурацию, создавая секторное поле зрения возбуждая множественные элементы датчика в точной последовательности. Пучок фазированного датчика может идти в различных направлениях и может фокусироваться на различных уровнях, что дает широкое поле зрения на большой глубине, даже при использовании датчиков малого размера. Основная область применения фазированного датчика – ультразвуковое исследование сердца (ЭхоКГ), он дает высокую частоту кадров, необходимую для критической оценки. Одно из преимуществ такого датчика – малый отпечаток, что делает его наиболее пригодным для применения между ребрами. Современные кардиологические аппараты УЗИ для кошек и собак должны иметь три фазированных датчика, с различной частотой 2–3 MHz, 5–7 MHz, и 10 MHz или выше.

Кольцеобразный датчик

Кольцеобразный датчик характеризуется построением пьезоэлектрических кристаллов в виде кольца (согласно наименованию). Такое построение кристаллов позволяет точно фокусироваться в плоскостях. Основной недостаток кольцеобразных датчиков – для построения изображения в реальном времени, пучок ультразвука должен управляться механически. Кольцеобразный датчик на сегодняшний день практически не используется.

Выбор датчика.

При выборе датчика для УЗИ нужно следовать некоторой догме – всегда использовать наиболее высокую частоту ультразвука вкупе с адекватным проникновением в зону интереса. Еще один важный фактор при выборе специфического датчика УЗИ – использование широкополосной способности. В качестве примера: печень больших собак может потребовать использования частоты ультразвука в районе 3-MHz, с широтой порядка 3-9-MHz, тогда как для исследования более поверхностно расположенных почек – может потребоваться только спектр в районе 9-MHz того же датчика. Всегда следует помнить, что высокая частота ультразвука ослабляется больше на расстоянии и обозначает меньшее проникновение, но большую детализацию. Низкая частота ультразвука истощается меньше, что означает большее проникновение, но меньшую детализацию.

В частной ветеринарной практике обычно требуется набор из двух видов датчика – линейного и микроконвексного. Микроконвекс дает большую разносторонность исследования, на нем обычно выставляется частота ультразвука от 3 до 9 MHz, также он имеет малый отпечаток, что позволяет его широко использовать у пациентов различного размера (от кошек до лабрадора). Широкополосный высокочастотный линейный датчик предпочтителен для малых частей и дает лучшее разрешение у малых пациентов, но его трудно использовать в монорежиме в большинстве практик, т.к. он хорошо проникает на ограниченную глубину и имеет большой отпечаток. Другие виды датчиков чаще доступны только в референсных ветеринарных клиниках.

Датчики обычно маркируются исходя из первичной частоты и вида датчика. Так, обозначение 8C указывает что используется первичная частота 8 MHz, а литера «C» представляет криволинейный (curvilinear) датчик. Литера «L» говорит об линейном характера датчика УЗИ, (linear), а литера «S» обозначает секторный датчик (sector). Однако, современные датчики способны давать диапазон частоты известный как ширина полосы пропускания (bandwidth).

Процессор и обработка изображений в аппарате УЗИ

Процессор – это центральная часть любого аппарата УЗИ; как было сказано ранее, если датчик – это руки аппарата, то процессор – это мозг. Процессор находится в мейнфрейме (mainframe) аппарата УЗИ, он формирует электрические сигналы, передаваемые на пьезоэлектрические кристаллы датчика, которые формируют ультразвуковой сигнал, а затем считывает информацию из кристаллов, преобразует ее в пиксели и выводит на монитор в удобочитаемом виде.Про генерацию сигнала было сказано выше, оператор может влиять на силу сигнала, его частоту и частоту повторения импульсов. Основная работа процессора – считывание слабых электрических сигналов с кристаллов датчика, их преобразование и выдачу полезной информации. Оператор аппарата УЗИ может оказывать значительное влияние на процессы обработки слабых электрических сигналов посредством выбора различных параметров постобработки, это расценивается как «искусство ультразвукового исследования». В данном разделе пойдет речь о функции процессора по обработке возвращающегося эхо-сигнала и получения изображения высокого качества.

Контроль сканера позволяет оператору максимизировать качество изображения; некорректные установки ухудшают его качество и снижают диагностическую ценность ультразвукового исследования в целом. Важно подчеркнуть, что регулировка аппарата УЗИ может непосредственно влиять на интерпретацию изображения, так, органы могут стать гипер- или гипоэхогенными, или же текстура их паренхимы может измениться. Функции контроля обработки изображения иметь могут различные наименования в зависимости от производителя аппарата УЗИ, но их влияние на получаемое изображение достаточно схожее. Осознание функций контроля аппарата УЗИ и навыки грамотного использования – одна из определяющих разниц между опытным и неопытным оператором.

Контроль компенсации времени-усиления (Time-Gain (Depth-Gain) CompensationControls) аппарата УЗИ

Сила сигнала от глубоко лежащих структур характеризуется некоторым истощением и запаздыванием возвращения. Время возвращения ультразвукового сигнала прямо пропорционально глубине отражающих поверхностей, чем дальше от датчика расположена зона интереса – тем больше времени необходимо для возвращения эхо-сигнала. Истощение эхо-сигнала также зависит от глубины зоны интереса, чем глубже исследуемые ткани – тем больше происходит истощение сигнала. Компенсации времени-усиления (TGC) – функция процессора аппарата УЗИ, направленная на компенсацию истощения ультразвукового сигнала и необходимого для возвращения времени. Контроль компенсации времени-усиления (TGC) применяется для формирования изображения высокого качества, сбалансированного по яркости, от близких полей к дальним. И опять же, получение качественного изображения – это искусство оператора аппарата УЗИ. В некоторых современных аппаратах УЗИ происходит автоматический контроль TGC, но в ветеринарной практике он не нашел широкого применения и эта функция целиком лежит на операторе аппарата УЗИ.

Контроль компенсации времени-усиления на большинстве современных аппаратов представляет из себя набор ползунков, которые позволяют оператору интуитивно подгонять TGC. Движение верхних ползунков влево снижает яркость ближних полей, тогда как движение средних и нижних ползунков вправо повышает яркость нижних полей. Наименование контроля TGCи внешний вид могут варьировать (кнопки, ползунки или тачскрин), но все их функции сходны в подгонке усиления на различной глубине.

Контроль TGC на многих мониторах аппарата УЗИ отражается в виде кривой, которая отражает установки усиления сигнала на любой глубине. Ввиду того, что ближние поля дают более яркое изображение,а эхо-сигнал от глубоких структур более ослаблен, оператор должен использовать контроль TGC для снижения яркости ближнего поля, одновременно повышая яркость далеких полей. Первая часть кривой TGC может состоять из прямой линии, которая представляет из себя первые несколько сантиметров глубины тканей (в большинстве приборов существует функция супрессии сильного эхо от поверхностных структур в ближнем поле).

Должная подгонка TGC фундаментальна для получения должного отображения изображения. Вначале изображение подгоняется для получения однородной яркости от ближних полей к дальним, только затем можно использовать контроль общего усиления по предпочтению оператора. Контроль TGC и общего усиления – очень важная функция при ультразвуковом исследовании, грамотное применение позволяет повысить диагностическую ценность УЗИ.

Контроль общего усиления (Overall Gain Control) аппарата УЗИ

Контроль общего усиления влияет на амплитуду возвращающегося эха, что непосредственно влияет на яркость изображения на экране монитора. Воздействие на данный параметр вызывает однородное усиление или ослабление всего возвращающегося сигнала, независимо от глубины его происхождения. В идеале, изображение не должно быть очень ярким или очень темным. Контроль усиления способен влиять на оценку эхогенности органов (гипо- или гипер-).

Контроль динамического диапазона (dynamic range) аппарата УЗИ

Контроль динамического диапазона – контроль количества компрессий применимо к ширине диапазона или амплитуде возвращающегося эхо-сигнала, чаще выражается в децибелах. Динамический диапазон во многом определяет контрастность ультразвукового изображения, сужение диапазона ведет к повышению контрастности, а повышение диапазона – к уменьшению контрастности и получению большего количества оттенков серого. При ЭхоКГ исследовании применяется более узкий динамический диапазон (в пределах 0-40 децибел), тогда как при исследовании органов брюшной полости предпочтительно использовать более широкий диапазон (в пределах 0-60 децибел). Динамический диапазон обычно предустанавливается производителем аппарата УЗИ, но может быть подогнан оператором.

Контроль глубины

Глубина поля изображения определяет размер оси по длине, в процессе УЗИ она постоянно максимизируется для улучшения визуализации структур зоны интереса.

Контроль фокусировки

Пучок ультразвука имеет фокусную позицию, где он сужается и дает более детальную информацию о структурах на определенной глубине. При установке фокусировки на определенной зоне интереса, ширина и толщина пучка значительно снижается, повышая способность системы отразить малые структуры. Более того, интенсивность пучка сконцентрированного на малой области, улучшает возвращающийся эхо-сигнал.При использовании двух или более фокальных зон, пучок сужается на большем расстоянии, повышая пространственное и контрастное разрешение на продолжительной глубине. Оператор аппарата УЗИ может сам устанавливать фокусные позиции и их количество. Однако, процессор может иметь дело только с определенным количеством информации (не причиняя ущерб другим).

Следует помнить, что использование большего количества фокальных зон снижает частоту кадров, что может ограничить исследование движущихся структур. Многоочаговая (мультифокальная) оптимизация достигается легче при условии, что исследуемые структуры полностью неподвижны.

Контроль серо-шкальной карты (gray-scalemaps) аппарата УЗИ

На современных аппаратах УЗИ доступно многообразие карт серой шкалы. Серо-шкальная карта может значительно изменить изображение, она обычно отражает больше оттенков серого (большая широта), предпочтительна при УЗИ органов брюшной полости, тогда как при ЭхоКГ исследовании применяется большая контрастность. Серо-шкальная карта может быть заказана отдельно как часть установок определенных пользователем.

Многие современные аппараты УЗИ позволяют расцвечивать (colorization) серо-шкальное изображение. В ряде случаев это может повысить видимость изображений.

Тканевая гармоническая визуализация (TissueHarmonicImaging (THI))

Тканевая гармоническая визуализация (THI) – технология выделения гармонической составляющей колебаний внутренних органов, вызванных прохождением сквозь тело базового ультразвукового импульса.

Датчик посылает в ткани импульсы ультразвука определенной частоты, она именуется как базовая или фундаментальная (f). Датчик считывает возвращающийся ультразвуковой эхо-сигнал, который отличается от фундаментально (обычно 2f или вторая гармоническая частота). Для примера, если базовая частота датчика составляет 4 MHz, то вторая гармоническая частота будет составлять 2f и равняться 8 MHz. Если сказать проще, то вместо того чтобы слушать возвращающийся эхо-сигнал вырабатываемый фундаментальной частотой, при использовании гармонического режима, датчик слушает гармоническую частоту. Гармоническая частота вырабатывается в исследуемых тканях при взаимодействии ультразвуковой базовой частоты с тканями.

Анализ гармонической частоты ведет к формированию изображений с меньшим количеством артефактов, меньшим рассеиванием и значительно улучшает пространственное разрешение.Использование более гармонического эхо-сигнала более высокого порядка частоты вместо фундаментальной ведет к улучшению изображения и снижению шума, повышая видимость нормальных и аномальных тканей.

Гармоническая визуализация наиболее эффективна в близких полях исследования, что может представлять особую ценность у пациентов с толстой брюшной стенкой и значительным слоем подкожной жировой клетчатки. Тканевая гармоническая визуализация особенно полезна при визуализации мочевого пузыря, часто с меньшим количеством артефактов наложенных на анэхогенную мочу. Гармоническая визуализация не имеет каких либо преимуществ при исследовании поверхностных структур, и относительную ценность при исследовании печени.

В ветеринарной практике, применение гармонической визуализации по разному улучшает качество изображение. У некоторых пациентов оно имеет удивительно хороший положительный эффект, у других – выраженное ухудшение изображения. Качество также варьирует от пациента к пациенту. Как бы то ни было, некоторые операторы аппарата УЗИ предпочитают рутинно использовать режим гармонического изображения. Гармоническая визуализация нашла широкое применение при контрастном ультразвуковом исследовании.

Режим изображения на дисплее аппарата УЗИ

В общей ветеринарной практике применяется три режима изображения (A,B и M), два последних используются наиболее широко.

A-режим (амплитудный режим, amplitude mode)

A-режим находит лишь ограниченное применение в офтальмологической практике и в некоторых других видах обследования для определения точной длины или глубины (пр. толщина спинного жира у производственных животных). Эхо-сигнал отображается как амплитуда, в виде пиков происходящих от вертикальной базисной линии. Датчик локализован на вершине данной линии, глубина отражается как прогресс сверху от датчика к базисной линии. Поэтому, положение пика, относительно основной линии, представляет глубину происхождения эха, наиболее высокий пик над базисной линией представляет амплитуду отраженного эхо-сигнала.

A-режим – наиболее простой из других режимов, но используется реже всего.

B-режим (режим яркости, brightness mode)

B-режим– отображает возвращающийся эхо-сигнал в виде точек, яркость которых на серой шкале пропорциональна амплитуде возвращающегося эхо. В современных аппаратах УЗИ используются множественные лучи ультразвука от пьезоэлектрических кристаллов датчика с последующим анализом каждого луча. Окончательным продуктом использования B-режима служит формирование на экране монитора двухмерного изображения органа.

При использовании B-режима,датчик обычно располагается вверху экрана. Этот режим изображения на экране дисплея нашел наиболее широкое применение в общей ветеринарной практике.

M-режим (режим движения,motion mode)

M-режимнаиболее широко применяется при ЭхоКГ исследовании сердца совместно с B-режимом. При использовании M-режима, амплитуда возвращающегося эхо-сигнала откладывается на вертикальной оси дисплея, тогда как время – на горизонтальной оси. Оценка эхо-сигнала при использовании M-режима полезна для точного измерения толщины камер и стенок, количественной оценки клапанов или движения стенок во времени. Датчик на экране монитора обычно отражается на верху, также как и картинка B-режима.