Отдельно я хотел бы поблагодарить своего друга, Михаила Харитонова, аспиранта Стэнфордского Университета, за неизменное участие и помощь.
Книга издана за счет американской фирмы ACUSON. Я благодарен сотрудникам московского представительства фирмы за большую помощь в организации издания книги.
Свой труд над книгой «Клиническая эхокардиография» я посвящаю памяти отца, писателя Александра Марьянина (Фихмана).
Максим Осипов
Глава 1. Физические принципы ультразвуковой визуализации сердца
Ультразвук — это звук с частотой более 20000 колебаний в секунду (или 20 кГц). Скорость, с которой ультразвук распространяется в среде, зависит от свойств этой среды, в частности, от ее плотности. Скорость распространения ультразвука в тканях человека при температуре 37°С равна 1540 м/с. Звук имеет волновую природу и его распространение подчиняется таким же законам, что и процесс распространения света. Знание этих основных законов существенно для понимания принципиальных основ эхокардиографии.
Если плотность, структура и температура одинаковы по всей среде, то такая среда называется гомогенной. В гомогенной среде волны распространяются линейно. Различные среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важен акустический импеданс. Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны. Скорость распространения ультразвуковой волны в тканях практически постоянна, поэтому в эхокардиографии акустический импеданс — лишь функция плотности той или иной ткани. Разные ткани: миокард, перикард, кровь, створки клапанов и т. д. — имеют разную плотность. Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект «раздела фаз» [interface]. Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее. При этом: 1) угол падения равен углу отражения; 2) из-за различий акустических импедансов сред угол преломления не равен углу падения.
Соотношение между углом падения (отражения) и углом преломления описывается формулой: n1/n2 = sin θ2/sin θ1, где n — акустический импеданс, t — угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз.
Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн. Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами: 1) разностью акустического импеданса сред — чем больше эта разность, тем больше отражение; 2) углом падения — чем ближе он к 90°, тем больше отражение; 3) соотношением размеров объекта и длины волны — размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны).
Пространственная разрешающая способность метода [resolution] определяет расстояние между двумя объектами, при котором их еще можно различить. Например, частота 2,0 МГц дает разрешающую способность в 1 мм. Однако, чем выше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука (глубина проникновения): тем легче происходит его затухание [attenuation]. Таким образом, важно найти оптимальную частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности. В табл. 1 приведены значения «половинного затухания» для разных сред, т. е. расстояния, на которых ультразвуковые волны с частотой 2,0 МГц теряют половину своей энергии.
Таблица 1. Значения половинного затухания ультразвуковых волн с частотой 2,0 МГц в различных средах
| Среда | Расстояние, см |
|---|---|
| Вода | 380 |
| Кровь | 15 |
| Мягкие ткани (кроме мышц) | 1—5 |
| Мышечные ткани | 0,6—1 |
| Кости | 0,7—0,2 |
| Воздух | 0,08 |
| Легкие | 0,05 |
| Feigenbaum H: Echocardiography, 4th ed. Philadelphia, Lea & Febiger, 1986 |
Структуры, в которых происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень [shadowing]; при исследовании сердца такой эффект дают кальцинированные структуры и протезированные клапаны сердца.
Датчик [transducer] — это устройство, преобразующее один вид энергии в другой. В эхокардиографии мы имеем дело с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот. В датчике это преобразование осуществляется специальным кристаллом — пьезоэлектрическим элементом. Пьезоэлектрический элемент изменяет свои размеры под воздействием электрического тока и, напротив, порождает электрический ток под действием приложенного к нему давления, например, со стороны ультразвуковых волн. Таким образом, пьезоэлектрический кристалл может посылать и принимать ультразвуковые волны. В датчике пьезоэлектрический элемент находится между двумя электродами (плюс и минус). Проходящий через элемент электрический ток заставляет его то расширяться, то сжиматься и тем самым генерировать ультразвуковые волны. С другой стороны, приходящие ультразвуковые волны элемент преобразует в электрические импульсы, регистрируемые катодным осциллографом. Оптимальная длина пьезоэлектрического элемента равна 1/2 длины волны. В этом случае элемент колеблется с резонансной частотой. Колебания пьезоэлектрического элемента распространяются по всем направлениям, в том числе в направлении корпуса датчика. Чтобы исключить волны, отраженные от корпуса датчика, корпус выстилают поглощающим материалом. Генерированный ультразвуковым датчиком сигнал распространяется на некоторое расстояние, называемое ближней зоной [near field], в виде пучка параллельных волн, которые затем расходятся в так называемой дальней зоне [far field]. Наилучшим образом могут быть исследованы объекты, находящиеся в ближней зоне: здесь выше интенсивность излучения и больше вероятность того, что ультразвуковые лучи распространяются перпендикулярно границе раздела фаз. Интенсивность измеряется числом волн на единицу площади. Протяженность ближней зоны (l) зависит от радиуса датчика (r) и длины ультразвуковой волны (λ): l = r/λ. Поскольку λ = V/f, где V — скорость распространения ультразвука в тканях, а f — его частота, и V = 1540 м/с, получим: l = r2×f/1540.
Отсюда ясно, что размер ближней зоны можно увеличить, увеличив частоту или радиус датчика. Сведения, приведенные в табл. 2, могут быть полезны при выборе наиболее подходящего датчика для визуализации сердца.
Таблица 2. Сравнительная характеристика различных ультразвуковых датчиков
| Параметры датчика | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|
| Малый диаметр | Датчик можно использовать при узких межреберьях, его можно сильно отклонять, дает тонкий пучок в ближней зоне | Короткая ближняя зона, большая дивергенция в дальней зоне |
| Большой диаметр | Длинная ближняя зона, относительно малая дивергенция в дальней зоне | Низкое латеральное разрешение из-за широкого пучка |
| Высокая частота | Высокая разрешающая способность, длинная ближняя зона | Низкая проникающая способность |
| Низкая частота | Высокая проникающая способность | Низкая разрешающая способность, короткая ближняя зона |
Применив конвергирующие и рассеивающие линзы, можно удлинить ближнюю зону и уменьшить расхождение ультразвуковых лучей в дальней зоне. Конвергирующие линзы фокусируют параллельные ультразвуковые волны и используются в датчиках для сжатия пучка. Они формируют узкий пучок высокой интенсивности на коротком участке, за пределами которого лучи расходятся, но не в такой степени, как это было бы без использования конвергирующих линз. В современных датчиках фокусировка ультразвуковых лучей осуществляется не оптическими линзами, а электронными средствами.
В общем виде процесс работы эхокардиографа может быть представлен следующим образом. В некоторый момент времени датчик посылает короткий ультразвуковой импульс. Импульс линейно распространяется в гомогенной среде до тех пор, пока не дойдет до границы раздела фаз, где происходит отражение или преломление ультразвуковых лучей. Через время, равное Δt, отраженный звук (эхо) вернется к датчику, который теперь работает как приемник. Зная скорость распространения звуковой волны (1540 м/с) и время, за которое звук прошел расстояние до границы фаз и обратно (Δt), можно вычислить расстояние между датчиком и этой границей (D): D = 1540×Δt/2.
Это соотношение между временем и расстоянием и лежит в основе метода ультразвуковой визуализации сердца. Обычно в эхокардиографии используют ультразвуковые импульсы длительностью около 1 мс. Пьезоэлектрический элемент работает в режиме генерации менее 1% времени, а все остальное время — в режиме приема. При этом пациент получает минимальные дозы ультразвукового облучения.
Интенсивность принимаемого эхо-сигнала зависит от того, какая часть посланного сигнала отразилась от границы раздела фаз и вернулась к датчику. Интенсивность принятых эхо-сигналов может быть графически представлена на осциллоскопе (экране эхокардиографа) в различных режимах (рис. 1.1). Это могут быть электрические импульсы различной амплитуды; при этом по другой оси координат откладывается расстояние от датчика до исследуемых структур. Такая форма графического представления эхо-сигналов получила название А-модального режима эхокардиографии (А — от «амплитуда»). Недостаток такого режима эхокардиографии — невозможность изобразить движение. Изображение регистрирует расстояние между объектом и датчиком, измеренное данным сигналом в данный момент времени. Чтобы зарегистрировать движение какой-либо структуры, нужно представить на экране ее положение в разные м