Ультразвуковая аппаратура в интроскопии

В соответствии с разработанным в нашей стране ГОСТ ультразвуковые сканирующие приборы для медицинской диагностики по своему функциональному назначению делятся на следующие типы: ЭКС-эхокардиоскоиы (приборы, предназначенные для исследования сердца и крупных сосудов); ЭТС-эхотомоскопы (приборы, предназначенные в основном для исследования плода, органов брюшной полости и малого таза); ЭЭС-эхоэнцефалоскопы (приборы, предназначенные для исследования головного мозга); ЭОС-эхоофтальмоскопы (приборы, предназначенные для исследования глаз). В зависимости от частоты ультразвукового сканирования, реализуемого приборами, различают следующие три группы приборов: С – статические, Д – динамические и К – комбинированные. В зависимости от вида ультразвукового сканирования приборы делятся на следующие подгруппы: Л – с линейным, У–угловым и Р – сложным (ручным) сканированием. Кроме того, приборы еще делятся на виды: Э – с электрическим и М – с механическим способом управления процессом ультразвукового сканирования.

Основными нормируемыми параметрами приборов ультразвуковой визуализации являются: номинальное значение рабочих частот, пределы области ультразвукового обзора, пространственное разрешение, верхний предел акустического затухания, частота ультразвукового сканирования, чувствительность, динамический диапазон отображаемых эхо-сигналов, рабочее поле индикации эхоизображений, масштабные коэффициенты отображения информации, число и погрешности определения структурно-топологических параметров исследуемых объектов. Средняя интенсивность излучаемых приборами ультразвуковых сигналов ограничивается величиной 50 мВт/см2 [59].

Кроме того, качество современной ультразвуковой аппаратуры может оцениваться по косвенным признакам: наличию и объему цифровой памяти, числу отображаемых градаций яркости эхоизображения и количеству дискретных положений ультразвукового луча в пределах сканируемой области, частоте сканирования, наличию функции временной регулировки усиления, наличию первичной и вторичной обработки эхосигналов, а также по ряду других характеристик.

Рассмотрим характерные типы приборов, получивших к настоящему времени наиболее массовое применение в медицинской практике.

Эхокардиоскопы

Ультразвуковые эхокардиоскопы применяются для исследования заболеваний сердечно-сосудистой системы человека. В настоящее время на практике применяются типа приборов: одномерные и сканирующие.

Типичным одномерным прибором современного уровня является созданный в нашей стране вычислительный эхокардиоскоп ЭКС-02. Прибор массового применения предназначен для обследования больных в бытовых и производственных условия3 и экстренной прикроватной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний (например, приобретенных и ряда врожденных пороков сердца, опухолей, субаортального стеноза, пролабирования митрального клапана, экссудативного перикардита и т. п.) в многопрофильных медицинских учреждениях, городских больницах и диагностических центрах.
Прибор позволяет: формировать ультразвуковую эхо- кардиограмму сердечно-сосудистых структур человека методом эхоимпульсной локации через область третьего – четвертого межреберья; отображать эхокардиограмму на телевизионном дисплее в различных функциональных режимах, в том числе совместно с 3 другими биопроцессами; автоматизированно анализировать динамические характеристики эхокардиограммы и выполнять первичные измерения при помощи подвижных маркеров, а вторичные измерения – путем расчета по первичным данным и заложенным в прибор программам; выводить результаты измерений на экран дисплея или внешнее регистрирующее устройство в виде числового «кардиопортрета».

Получаемый цифровой «кардиопортрет» включает следующие данные: частоту сердечных сокращений; параметры левого желудочка, включая конечные диастолический, систолический размеры и объемы, ударный и минутный объемы, сердечный индекс, фракцию выброса, степень укорочения переднезаднего размера, толщину миокарда в диастоле, конечный диастолический объем, общий объем, объем миокарда, массу и индекс массы миокарда, скорость циркулярного укорочения волокон миокарда, скорость движения задней стенки в систоле и диастоле; размеры левого предсердия, аорты и их отношений, а также параметры фазового анализа, включая фазы асинхронного и изоволюмического сокращений, период изгнания, фазы изоволюмического расслабления, быстрого и медленного пассивного наполнения левого желудочка, фазу систолы предсердия, индекс напряжения миокарда, внутрисистолический и внутрицикловый показатели изгнания и напряжения, отношение периода наполнения к периоду изгнания и т. д. (всего 42 параметра).

Внешний вид прибора приведен на рис. 97. Он состоит из двух переносных блоков: измерительного и индикаторного, включает два вида ультразвуковых измерительных преобразователя на частоту 2,64 МГц диаметром 12 мм (для взрослых) и частоту 3,5 МГц диаметром 8 мм (для детей). В индикаторном блоке размещены: дисплей телевизионного типа на кинескопе с диагональю 23 см и фоторегистратор данных, выполненный на дублирующем кинескопе с диагональю 11 см и фотоаппарате «Зенит-Е» с объективом «Мир-1». В измерительном блоке размещен бестрансформаторный блок питания, встроенный микропроцессор и остальные электронные узлы, а также функциональные модули внешнего интерфейса, обеспечивающего сопряжение прибора с внешней ЭВМ (типов СМ-4, СМ-1800 и др.), бытовым (типа «Электроника ВМ-12») или студийным видеомагнитофоном, внешними видеоконтрольными устройствами телевизионного типа.

Рис. 97. Вычислительный эхокардиоскоп ЭКС-02.

Прибор работает в следующих режимах: слежения, в процессе которого осуществляется непрерывное формирование и  отображение ультразвуковой эхокардиограммы, и в режиме стоп-кадра, в процессе которого реализуются измерительные процедуры. В режиме слежения используются два вида  разверток отображения эхокардиограммы: возвратно-поступательная и развертка типа бегущая лента, со скоростями «протяжки» 2,5; 5,0 и 10,0 мм/с и глубиной ультразвукового зондирования 120 и 180 мм. Одновременно с эхокардиограммой отображаются соответствующие метки метрических шкал по глубине и времени, а также индуцируется одномерная динамическая эхограмма типа А и зависимость степени компенсации затухания ультразвука от глубины с численными данными параметров через каждые 3 см. Предусмотрены возможности параметрического управления логарифмической характеристикой усиления эхосигналов в пределах 60 дБ, динамическим диапазоном отображаемых сигналов в пределах 40 дБ и пространственно-частотной фильтрацией эхоизображения при трех фиксированных положениях подъема верхних частот (подчеркивание контуров и АРУ, рис. 98, а). Возможны также процедуры инверсии изображения (позитив-негатив, рис. 98, б) и линейной двукратной растяжки произвольного участка эхокардиограммы по глубине (рис. 98,в). В режиме стоп-кадр производится регенерация и непрерывное отображение одного кадра эхоизображения при 16 градациях яркости. В этом режиме кроме эхоизображения на дисплее в алфавитно-цифровом и символьном виде отображается информация о параметрах режима слежения, при которых она была получена. Кроме того, при помощи клавиатуры пульта управления могут быть введены для отображения и последующей регистрации следующие служебные данные: дата обследования, шифр пациента, частота ультразвукового зондирования, а также вес и рост пациента, необходимые для последующих вычислений параметров кардиоструктур.

Рис. 98. Эхокардиограммы митрального клапана, полученные на эхокардиоскопе ЭКС-02. а – фильтрация пространственных частот; б – инверсия изображения с одновременным увеличением фрагмента; в – увеличение выбранного участка.

Для анализа эхокардиограммы и кодирования первичных отсчетов данных предусмотрены две пары произвольно перемещаемых маркеров и подвижная «рамка», при помощи которых оператор может обозначать интересующие его фрагменты эхоизображения. Согласно отмеченным маркерами интервалам по ортогональным координатам глубины и времени непрерывно вычисляются и отображаются на экране по два значения линейных размеров и временных интервалов. Обозначенный «рамкой» фрагмент может быть четырехкратно (по площади) увеличен, и далее эхоизображение будет отображаться в режиме перемещаемой «электронной лупы». Вычисление вторичных параметров эхокардиограммы производится вызовом на экран 2 списков («меню») подпрограмм, согласно которым оператор в интерактивном режиме производит произвольный выбор групп необходимых измерений.

Ультразвуковые статические эхотомоскопы в настоящее время применяются в медицинской практике для исследования почти всех внутренних органов человека, например, в онкологической практике – для выявления и определения размеров опухолей; в акушерстве и гинекологии – для оценки состояния развития плода, локализации и измерения параметров плаценты и диагностики ряда заболеваний мочеполовых органов; в клинике внутренних болезней – для диагностики и лечения заболеваний паренхиматозных органов: почек, печени, поджелудочной железы, желчного пузыря и др., особенно для обнаружения и локализации инкрементов в почечных лоханках, раннего цирроза печени и т. д.

В нашей стране серийно выпускается несколько модификаций сканирующих статических эхотомоскопов, предназначенных для применения в перечисленных случаях. Наиболее совершенным из них является статический эхотомоскоп ЭТС-Р-02, который представляет собой микропроцессорную измерительную систему с цифровым конвертером многоградационных эхоизображений, формируемых комбинированным ультразвуковым сканированием вручную. Прибор предназначен для научных исследований и обследования больных в стационарных лечебных учреждениях путем получения информации о расположении и характере структур органов и тканей и измерения линейных размеров и топологических характеристик биологических объектов методом ультразвуковой эхоимпульсной локации.

Прибор позволяет формировать статические ультразвуковые эхоизображения сечений анатомических структур методом ультразвукового многоракурсного сканирования, автоматизировано анализировать структурно-топологические и текстурные характеристики визуализированных объектов и тканей и выполнять первичные и вторичные топологические измерения с отображением численных результатов на экране.

Внешний вид прибора приведен на рис. 99. Он состоит из стойки-тележки с механизмом сканирования и двух установленных на стойке блоков – индикаторного и измерительного. В комплект прибора может входить набор сменных УЗП на частоты 1,76 МГц и 2,64 МГц с различным фокусным расстоянием. Механизм сканирования содержит устройства вертикального подъема и выбора плоскости ультразвукового сканирования относительно горизонтально расположенного тела обследуемого пациента с электромеханической фиксацией выбранного положения устройств, а также трехзвенный электромеханический узел передачи координат УЗП. Механизмом обеспечивается ультразвуковой обзор анатомического сечения площадью 400X400 мм, на различной высоте в пределах 400 мм при глубине ультразвукового зондирования до 200 мм. Устройство выбора плоскости сканирования позволяет осуществлять перемещение УЗП по произвольному контуру в меридианальных и экваториальных плоскостях, изменяя угол сканируемых сечений относительно нормали на ±45°. Применяемый в приборе телевизионный дисплей с фоторегистратором идентичен описанному в составе эхокардиоскопа ЭКС-02.

Рис. 99. Микропроцессорный статический эхотомоскоп ЭТС-Р-02.

Измерительный блок выполняет основные функции прибора, обеспечивает аналогичные, как и в эхокардиоскопе ЭКС-02, функции внешних связей, имеет системную структуру построения. В эхотомоскопе применен цифровой конвертер эхо- изображения в телевизионный формат отображения, который содержит запоминающее устройство 512Х512Х Х5 бит и обеспечивает формирование эхоизображений с 32 градациями яркости и возможностью амплитудно-градационного препарирования.

Работает эхотомоскоп в режимах формирования и анализа эхоизображения. В режиме формирования эхоизображения выполняется ультразвуковое сканирование выбранного поперечного анатомического сечения и занесение эхоинформации в память цифрового конвертера эхоизображений. Поскольку измерительная система прибора обеспечивает непрерывное визуальное отображение заносимой в память информации, оператор имеет возможность следить за процессом сканирования и добиваться высокого качества эхоизображения. Все изменения местоположения УЗП и направление его ультразвукового луча в сканируемом сечении отслеживаются при помощи подсистемы передачикоординат, включающей трехзвенный рычажно-шарнирный механизм, датчики отсчета углов поворота рычагов относительно друг друга и микропроцессорную структуру вычисления координат эхосигналов относительно ортогональной системы построения матричной памяти цифрового конвертера эхоизображения.

При записи эхосигналов в запоминающее устройство конвертеп предусмотрены следующие алгоритмы обработки: сжатия данных по лучу в реальном времени формирования эхосигналов и сжатия данных по пространству в реальном времени сканирования ультразвукового луча. При сжатии данных по лучу применен аппаратный способ вычисления и выборки экстремума нескольких последовательных отсчетов эхосигнала. Сжатие пространственных данных используется при многоракурсном сканировании когда от одного и того же участка объекта в результате облучения его с разных направлений получаются несколько эхосигналов. В этом случае возможны следующие режимы работы: режим «стеклоочистителя», когда вновь полученная эхоинформация заменяет записанную ранее; режим максимума, когда замена эхоинформации производится только в случае, если амплитуда поступившего эхосигнала превышает значение, занесенное в память; и режим накопления, когда многократно полученная информация усредняется. Введение в прибор последнего режима позволяет значительно повысить отношение сигнал/шум и в результате метрологическую ценность формируемых эхоизображений. Кроме того, многоракурсная модификация эхоизображения, по существу реализующая пространственную корреляционную обработку данных, позволяет повысить пространственную разрешающую способность прибора, приблизить ее к величине, равной 2,0–3,0 мм. В режиме формирования эхоизображения реализуются также одновременное отображение А-эхограммы вдоль луча, четыре масштаба отображения сечения 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, автоматический перенос центра отображения на экране, а также различные процедуры параметрического управления усилением эхосигналов, амплитудной коррекции, фильтрации пространственных частот эхоизображения.

В режиме анализа эхоизображений прибор обеспечивает регенерацию и отображение стоп-кадра эхоизображения, полученного в результате многоракурсного сканирования и цифровой обработки. В этом режиме оператору предоставлены возможности селективного увеличения произвольных фрагментов эхоизображения, а также амплитудно-градационного препарирования согласно параметрическому алгоритму управления. Измерения параметров и характеристик исследуемых объектов осуществляются прибором на основе кодирования данных с эхоизображения двумя парами подвижных маркеров. Относительная погрешность топологических измерений, выполняемых прибором, не превышает ±2%. Примеры получаемых прибором ЭТС-Р-02 эхотомограмм приведены на рис. 100.

Рис. 100. Эхотомограммы биологических объектов, полученных на эхотомоскопе ЭТС-Р-02. а, б – эхотомограммы плода; в – эхотомограмма сечения печени и правой почки.

Динамические эхотомоскопы

В силу ограниченной протяженности акустически контактирующей поверхности исследуемого объекта с рабочей поверхностью сканирующей матрицы пьезопреобразователей динамические приборы «дают» значительно меньший ультразвуковой обзор по сравнению со статическими эхотомоскопами рассмотренного типа. Однако высокая функциональная гибкость и мобильность обследования не снижают преимуществ динамических приборов и их популярность в. различных областях биомедицинского применения непрерывно растет.

В настоящее время в нашей стране разрабатывается несколько модификаций динамических измерительных эхоскопов, предназначенных для применения в кардиологии общей абдоминальной диагностике, и специальные измерительные эхотомоскопы для исследования почек, печени, плода. Модификации приборов, отличаются введением специальных процедур обработки и отображения эхоинформации, а также типом применяемых многоэлементных УЗП. Базовым динамическим прибором отечественного производства, предназначенным для диагностики заболеваний в онкологии, акушерстве, гинекологии и клинике внутренних болезней при стационарных и прикроватных условиях обследования больных, является линейно сканирующий динамический эхотомоскоп ЭТС-ЭЛ-01. Прибор массового применения может быть использован, например, для укомплектования женских консультаций, пунктов профилактического осмотра населения, а также многопрофильных и специализированных медицинских учреждений.

Прибор позволяет: формировать многоградационные эхоизображения анатомических сечений биологических объектов: в реальном масштабе времени при верхнем пределе акустического затухания 70 дБ и динамическом диапазоне эхосигналов 40 дБ; отображать в процессе формирования динамические эхоизображения на телевизионном дисплее, а также фиксировать, их в памяти цифрового конвертера в любой момент времени, в том числе компоновать сдвоенные эхоизображения; автоматизированно анализировать динамические, топологические и текстурные характеристики лоцируемых объектов, в том числе при помощи амплитудно-градационного препарирования, и определять их параметры.

В приборе ЭТС-ЭЛ-01 реализованы основные топологические измерения: определение линейных размеров, топологических взаимоотношений, динамические измерения, вычисление площадей и периметров объекта. В специализированных приборах кроме того, могут быть введены измерения вторичных параметров развития плода и его активность, в частности, параметры дыхательных движений, а также текстурные измерения и связанные с этим форматы представления анализируемой информации. В новых модификациях динамических приборов, предназначенных для анализа печени и исследования заболеваний почек, предусматривается также формирование числового «текстурного портрета» объектов, включающего определение следующих основных параметров: соотношений амплитуд произвольно выбранных эхосигналов с учетом диссипативных и дифракционных поправок, среднестатистических величин пространственных интервалов между сосредоточенными рассеивателями в ткани, среднестатистических величин коэффициента рассеяния на заданном участке ткани, корреляционные функции и коэффициент поглощения ультразвука в ткани.

Внешний вид прибора ЭТС-ЭЛ-01 приведен на рис. 101. Прибор состоит из тележки, в которой размещена многоканальная подсистема управления сканированием и блоков: индикаторного и измерительного. Прибор обеспечен интерфейсами для внешних связей с ЭВМ, цифропечатающим устройством, дисплеем, накопителем на кассетной магнитной ленте, видеомагнитофоном или телевизионным индикатором.

Рис. 101. Микропроцессорный динамический эхотомоскоп ЭТС-ЭЛ-01.

Базовый эхотомоскоп ЭТС-ЭЛ-01 снабжен многоэлементными пьезопреобразователями на частоту ультразвуковых колебаний 2,64 МГц и 3,5 МГц, обеспечивающими путь линейного сканирования 95 мм и глубину ультразвукового зондирования до 200 мм. Специализированные приборы могут также комплектоваться линейно-сканирующими УЗП на частоту 4,0 МГц, веерно-сканирующими УЗП, обеспечивающими сектор ультразвукового обзора до 80°, а также преобразователями для внутриполостных исследований и проведения пункций. Структура динамического прибора содержит типовые подсистемы первичной обработки эхосигналов, цифрового конвертирования и отображения эхоизображений, а также программного управления и анализа информации.

Кроме того в прибор, в зависимости от модификации, могут быть включены подсистемы вторичной обработки информации, реализующие структурно-топологические динамические и текстурные измерения, включая формирование амплитудных «срезов» (распределений), статистических гистограмм и определения их параметров. В режиме формирования эхоизображения прибор функционирует так же, как и рассмотренный выше статический эхотомоскоп, с той только разницей, что эхоизображение в данном случае автоматически формируется и сменяет прежнее с частотой обновления кадров 8–16 Гц. В результате этого на экране дисплея наблюдается динамическое отображение исследуемого анатомического сечения и в реальном времени прослеживаются перемещения органов и тканей. Для получения высокой разрешающей способности и качества динамического эхоизображения в приборе реализована трехступенчатая динамическая фокусировка и секторная черезстрочная угловая подкачка ультразвукового луча. Секторная подкачка ультразвукового луча в пределах линейного шага сканирования обеспечивает удвоение числа ультразвуковых строк изображения. При этом в цифровом конвертере формируется 256 строк эхоизображения при 512 дискретных отсчетах по лучу и 32 либо 64 по амплитуде эхосигналов. В процессе цифрового конвертирования эхоизображения осуществляется «сшивание» данных, полученных из трех зон фокусировки ультразвукового луча (45, 75 и 115 мм по глубине), так, чтобы ширина луча оставалась постоянной по всей протяженности зондирования. Причем оператор может произвольно изменять зоны фокусировки. Одновременно в цифровом конвертере осуществляется межлучевая линейная интерполяция данных, а также покадровая модификация, реализующая процедуру усредненного накопления.

Реализованы также типовые процедуры управления усилением, динамическим диапазоном и компенсацией потерь эхосигналов, пространственной фильтрации эхоизображения. Кроме того, прибором обеспечиваются дополнительные возможности линейной двукратной растяжки эхоизображения согласно указанию оператора в пределах 90 мм, а также инверсии направления развертки эхоизображения по координате сканирования. В режиме анализа эхоизображений реализованы базовые функциональные возможности: инверсии градаций эхоизображения (негатив позитив), режим «склеивания» 2-х эхоизображений, процедуры препарирования селективного увеличения фрагментов эхоизображения, а также интерактивного кодирования его параметров. Численные результаты измерений и параметры формирования эхоизображений отображаются в виде алфавитно-цифровых данных.