Клиническая эхокардиография
Шрифт:
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 t, 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 (t), можно вычислить расстояние между датчиком и этой границей (D): D = 1540xt/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
Рисунок 1.1.Технические основы эхокардиографии: способы получения изображений. Вверху:парастернальная позиция длинной оси левого желудочка; датчик для М-модального исследования приставлен к грудной клетке, ультразвуковой луч направлен перпендикулярно к ее поверхности и проходит через стенку грудной клетки (CW), переднюю стенку правого желудочка (RVW), межжелудочковую перегородку (Sept), переднюю створку митрального клапана (AML), заднюю створку митрального клапана (PMV), заднюю стенку левого желудочка (LVW). Эффект раздела фаз на границе этих структур с кровью вызывает отражение ультразвукового луча, регистрируемое датчиком в период, когда он работает в качестве приемника сигналов. Давление, оказываемое ультразвуком на пьезоэлектрический элемент датчика, преобразуется в электрические сигналы, регистрируемые на экране осциллоскопа (экране эхокардиографа) по мере их поступления. В А-модальном режиме (A-mode) интенсивность принятых эхо-сигналов представлена в виде электрических импульсов различной амплитуды. В В-модальном режиме интенсивность эхо-сигналов представлена в виде яркости свечения отдельных точек. А-модальный и В-модальный режимы представляют интенсивность эхо-сигналов в реальном времени. Развертка В-модального режима по времени превращается в М-модальный режим. Внизу:различные способы получения двумерного изображения сердца. Ультразвуковой луч перемещается (сканирует) в пределах сектора, создавая изображение сердца в реальном времени. Режим двумерного изображения сердца является развитием В-модального режима: интенсивность принятых эхо-сигналов соответствует яркости точек. В датчике с фазово-кристаллической решеткой (Phased Array) сканирование достигается последовательным возбуждением кристаллов, имеющих относительно малый диаметр. В механическом датчике (Mechanical Rotation) электрический мотор вращает три или четыре датчика для М-модального исследования мимо окна, граничащего с поверхностью грудной клетки. Работа осциллирующих датчиков (Oscillation) основана на колебании одного пьезоэлектрического элемента. В линейных датчиках (Multicristal) пьезоэлектрические элементы выстроены в один ряд и посылают параллельно направленные ультразвуковые лучи, поэтому изображение и исследуемые объекты имеют одинаковые размеры. Межреберные промежутки слишком узки для использования линейных датчиков в эхокардиографии. Schiller N.В., Himelman R.В. Echocardiography and Doppler in clinical cardiology, in: Cardiology, ed. Parmley W.W., Chatterjee K., J.B. Lipincott Co., 1991, материал предоставил проф. Norman H. Silverman.
Для увеличения объема информации, содержащейся в изображении, интенсивность принятых эхо-сигналов может быть представлена не в виде амплитуды, а в виде яркости свечения точки: чем больше интенсивность принятых эхо-сигналов, тем больше яркость свечения соответствующих им точек изображения. Такой режим называется В-модальным(В — от «brightness», «яркость»).
От этого режима легко перейти к режиму развертки яркости структур сердца по времени, — к М-модальному режиму(М — от «motion», «движение»). В М-модальном режиме одна из двух пространственных координат заменена временн ой. Исторически М-модальное исследование было первым эхокардиографическим режимом. В М-модальном режиме на экране эхокардиографа по вертикальной оси откладывается расстояние от структур сердца до датчика, а по горизонтальной оси — время. Датчик при М-модальном исследовании может посылать импульсы с частотой 1000 с –1; это обеспечивает очень высокую частоту смены изображений (высокую временн ую разрешающую способность). М-модальное исследование дает представление о движении различных структур сердца, которые пересекаются одним ультразвуковым лучом. Главный недостаток М-модального исследования — одномерность.
Режим двумерного изображения сердца [two-dimensional], иначе называемый режимом изображения в реальном
Легкие и ребра очень ограничивают доступ к сердцу, поэтому датчики с параллельным направлением ультразвуковых лучей, так называемые линейные датчики [linear array scanners], имеющие большие размеры, в эхокардиографии не используются. Основные два типа датчиков в эхокардиографии — это механические [mechanical sector scanners] и электронные датчики; последние называют также датчиками с электронно-фазовой решеткой [phased array sector scanners], они имеют от 32 до 128 пьезоэлектрических элементов. Механические датчики в целом обладают несколько более высокой разрешающей способностью, однако они больше по размерам и значительно менее долговечны. Превосходство датчиков с электронно-фазовой решеткой стало очевидным с появлением допплеровских исследований: оказалось, что они приспособлены для них значительно лучше, чем механические датчики. Датчики с циркулярным расположением пьезоэлектрических элементов, так называемые аннулярные датчики [annular array scanners], позволяют фокусировать ультразвуковые лучи в пространстве. Современные аннулярные датчики сочетают в себе свойства механических датчиков и датчиков с электронно-фазовой решеткой.
В разных эхокардиографических системах настройку изображения можно производить с помощью разных технических средств, но есть общие способы контроля изображения и представления его на экран.
Общее усиление эхо-сигналов [gain controls] усиливает или ослабляет все эхо-сигналы, независимо от их интенсивности. Компенсация глубины [depth compensation или time-gain compensation] служит для усиления сигналов, отражающихся от удаленных структур, и ослабления сигналов, отражающихся от структур, находящихся близко к датчику. Компенсация глубины необходима потому, что интенсивность ультразвуковых сигналов падает по мере прохождения через ткани, причем ослабляется как посланный, так и отраженный ультразвуковой сигнал. Пороговый контроль [reject control] полностью подавляет сигналы, интенсивность которых ниже заданной.
С усовершенствованием цифровых методов обработки изображения и увеличением градаций серой шкалы [gray scale] улучшаются формы представления эхокардиографических изображений на экран. Обработка отраженных ультразвуковых сигналов [post-processing] устанавливает зависимость между амплитудой принятого ультразвукового сигнала и соответствующим ей уровнем серой шкалы. Регулировка эхокардиографа позволяет установить прямая зависимость между слабыми и сильными сигналами, усилить слабые сигналы и ослабить сильные, или же ослабить слабые сигналы и усилить сильные. Задержка изображения [persistence] служит для получения более «мягких» изображений: в этом случае происходит суммирование двух и более изображений на экране.
Трудно дать подробные рекомендации по настройке изображения, годные во всех случаях, но общие принципы, которых нужно придерживаться для оптимальной визуализации структур сердца, таковы: 1) регулировка усиления, яркости, контрастности должна быть произведена таким образом, чтобы соблюсти пропорции между размерами и яркостью различных структур сердца, соответствующие истинным размерам структур и их способности отражать ультразвук; 2) размеры изображения должны быть достаточными для попадания в изображение околосердечных структур; 3) следует помнить о том, что уменьшение размеров изображения ведет к увеличению частоты смены кадров, и пользоваться этим для увеличения временн ой разрешающей способности; 4) рекомендуется устанавливать достаточное «фоновое» усиление для того, чтобы в изображение попадали структуры, слабо отражающие ультразвук (рис. 17.12); 5) следует по возможности сохранять неизменный масштаб изображения для получения правильного представления о размерах различных структур: при исследовании взрослых пациентов с нормальными размерами сердца рекомендуемая глубина — 16 см, при исследовании пациентов с кардиомегалией — 20 см.
Глава 2. Стандартные эхокардиографические позиции
Приставив ультразвуковой датчик к грудной клетке, можно получить бесчисленное множество двумерных изображений (сечений) сердца. Из всевозможных сечений выделяют несколько, которые называют «стандартными позициями». Умение получить все необходимые стандартные позиции и проанализировать их составляет основу знания эхокардиографии.
В наименования стандартных позиций входят и положение датчика относительно грудной клетки, и пространственная ориентация плоскости сканирования, и названия визуализирующихся структур. Строго говоря, именно положение структур сердца на экране определяет ту или иную стандартную позицию. Так, например, положение датчика при получении парастернальной короткой оси левого желудочка на уровне митрального клапана может сильно варьировать у разных пациентов; критерием того, что позиция получена правильно, будет обнаружение правого и левого желудочков, межжелудочковой перегородки и митрального клапана в правильном соотношении. Иными словами, стандартные эхокардиографические позиции — это не стандартные положения ультразвукового датчика, а стандартные изображения структур сердца.