Особенности конструирования и применения ультразвукового аппарата для исследования органов брюшной полости для выявления патологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский авиационный институт

(Национальный исследовательский университет)

Курсовая работа

на тему: «Особенности конструирования и применения ультразвукового аппарата для исследования органов брюшной полости для выявления патологии»

по дисциплине «Узлы и элементы биотехнических систем»

Выполнил: Рамазанова Д.Р.

Проверил: Хаустов А.И.

Москва 2013

1. Принцип действия основан на неинвазивном исследовании организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн

Ультразвуковой аппарат передает высокочастотные (от 1 до 18 МГц) звуковые импульсы в тело человека с помощью ультразвукового датчика.

Звуковые волны распространяются по телу и достигают границ между тканями с разным акустическим сопротивлением (например, между жидкостью и мягкой тканью, мягкой тканью и костью), величина которого зависит от их плотности и скорости распространения звуковых волн. При этом, часть звуковых волн будет отражена обратно к преобразователю, а другая часть - продолжит свой ход в новой среде. Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая -- отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата.

Отраженные волны воспринимаются датчиком. Данные от ультразвукового датчика передаются в центральный процессор, который является «головным мозгом» аппарата и служит для обработки полученных данных, формирования изображения и его вывода на монитор. Процессор вычисляет расстояние от датчика до ткани или органа, используя известную скорость распространения звука в ткани и время, за которое к датчику вернулся отраженный эхо-сигнал (как правило - порядка миллионных долей секунды).

Ультразвуковой датчик передает и принимает миллионы импульсов и эхо-сигналов каждую секунду. Элементы управления датчиком позволяют врачу устанавливать и изменять частоту и длительность ультразвукового импульса, а также режим сканирования устройства.

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.

2. Конструкция

Стандартный аппарат ультразвуковой диагностики (или ультразвуковой сканер) состоит из следующих частей:

Ультразвуковой датчик - детектор (преобразователь), который получает и передает звуковые волны

Центральный процессор (CPU) -- компьютер, который производит все расчеты и содержит электрические источники питания

Импульсный датчик управления -- изменяет амплитуду, частоту и длительность импульсов, излучаемых преобразователем

Дисплей -- отображает изображение, сформированное процессором на основе ультразвуковых данных

2.1 Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой датчик является основной частью любого УЗИ аппарата. Он генерирует и воспринимает звуковые волны, используя принцип пьезоэлектрического эффекта, который был открыт Пьером и Жаком Кюри в далеком 1880 году. Датчик преобразователя содержит один или несколько кварцевых кристаллов, которые также называются пьезоэлектрическими кристаллами. Под действием электрического тока эти кристаллы быстро изменяют свою форму и начинают вибрировать, что приводит к возникновению и распространению наружу звуковой волны. И наоборот, когда звуковая волна достигает кварцевые кристаллы они способны испускать электрический ток. Таким образом, одни и те же кристаллы используются для приема и передачи звуковых волн. Также датчик имеет звукопоглощающий слой, которые фильтрует звуковые волны, и акустическую линзу, которая позволяет сфокусироваться на необходимой волне.

2.2 Виды датчиков

Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В механических сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он или вращается или качается). В электронных развертка производится электронным путем. Недостатками механических датчиков являются шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются. Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.

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 -- органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренные суставы.

Наиболее распространенное строение УЗИ аппарата представлено следующей блок-схемой:

3. Методики ультразвукового исследования

Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки черно-белого цвета. Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. 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 не имеет значения. Изображение, получаемое при исследовании, может быть разным в зависимости от режимов работы сканера. Современные УЗИ-аппараты способны работать в нескольких режимах, основными из которых являются следующие:

1) A-режим (А-mode, от слова “amplitude”) Амплитуда отраженного ультразвука отображается на экране осциллографа. В настоящий момент этот режим имеет в основном историческое значение и используется преимущественно в офтальмологии. Естественно, работать в этом режиме способен любой современный УЗИ аппарат.

2) B-режим. Методика даёт информацию в виде двухмерных серошкальных томографических изображений анатомических структур в масштабе реального времени, что позволяет оценивать их морфологическое состояние. Наиболее информативный и интуитивно понятный режим в современном УЗИ аппарате. Большинство аппаратов используют 256 оттенков серого цвета, что позволяет визуализировать даже очень небольшие изменения в эхогенности. Скорость обновления картинки на экране в В-режиме обычно составляет не менее 20 кадров в минуту, что создает иллюзию движения.

3) M-режим (от слова «motion») Режим позволяет получать изображение структур сердца в движении. Благодаря высокой частоте дискретизации, М-режим является чрезвычайно ценным для точной оценки быстрых движений.

4) 2D-режим применяется для измерения камер сердца, оценки структуры и функции клапанов, глобальной и сегментарной систолической функции желудочков. D-режим (Доплер-режим) Этот режим визуализации основан на эффекте Доплера, то есть. изменение частоты (доплеровский сдвиг), вызванных движением источника звука относительно приемника. В ультразвуковой диагностике используется изменение частоты отраженного сигнала от эритроцитов. Частота отраженной волны ультразвука увеличивается или уменьшается в соответствии с направлением потока крови по отношению к датчику.

5) Цветной доплер (Colour flow Doppler imaging, CFI) Режим позволяет локализовывать кровеносные сосуды (либо отдельные потоки крови, например внутри камер сердца) с определением направления и скорости кровотока. Потоки крови, идущие по направлению к датчику, изображаются красным цветом. Идущие от датчики - синим. Потоки, идущие перпендикулярно плоскости исследования, будут окрашены в черный цвет. Зоны турбулентного кровотока - в зеленый или белый. Впрочем, большинство аппаратов позволяет настраивать цвета того или иного потока по своему усмотрению.

6) Импульсно-волновой доплер (Pulsed Wave Doppler, PW) Режим позволяет оценить характер кровотока на определенном участке сосуда и визуализировать области ламинарного и турбулентного кровотока. По сравнению с цветным доплером, позволяет точнее определить скорость и направление кровотока. Основным недостатком метода является неточное определение потоков с высокой скоростью движения, что накладывает определенные ограничения на его применение.

7) Постоянно-волновой доплер (Continuous Wave Doppler, CWD) В этом режиме одна часть датчика непрерывно передает, а вторая часть - непрерывно принимает допплеровский сигнал вдоль одной линии на 2D изображении. В отличие от импульсно-волнового доплера, этот метод точно определяет потоки с высокой скоростью. Недостаток метода - неспособность точной локализации сигнала. CWD используется для измерения скорости потоков регургитации через трехстворчатый, легочный, митральный и аортальный клапаны, а также скорость систолического потока через аортальный клапан.

8) Тканевый доплер (Tissue Doppler) Этот режим похож на импульсно-волновой доплер, за исключением того, что используется для измерения скорости движения тканей (которая намного ниже, чем скорость потока крови). Применяется, в частности, для определения сократительной способности миокарда. Помимо вышеперечисленных режимов, в последнее время появились дополнительные алгоритмы, позволяющие существенно улучшить качество и разрешение картинки. К таким алгоритмам относятся 3D и 4D режимы, Tissue Harmonic Imaging (THI), а также энергетический доплер (power doppler). Что ж, пару слов и об этих режимах: 3D режим - формирование объемных трехмерных изображений на основе полученных 2D картинок в разных плоскостях. 4D режим - это еще более сложна обработка все той же 2D информации, когда процессор формирует изображение из уже готовых 3D картинок. Второе название -- “real-time 3D ultrasound” - лучше всего описывает суть этого режима, который позволяет наблюдать за изменением 3D картинки во времени. Фактически, это уже видео изображение. Tissue Harmonic Imaging (THI) - технология, позволяющая существенно улучшить качество получаемого изображения (актуально у пациентов с повышенным весом). Энергетический доплер (power doppler) обладает более высокой чувствительностью, по сравнению с цветным доплером и используется для исследования мелких сосудов. Не позволяет определить направление кровотока.

4. УЗИ печени

Современная техника ультразвукового исследования (УЗИ) позволяет с высокой диагностической точностью оценить форму, размеры и расположение органов брюшной полости (печени, желчного пузыря, поджелудочной железы, селезенки и др.), выявить очаговые образования в них (рак печени, поджелудочной железы, метастазы опухолей, абсцессы, кисты, гематомы, аденомы и т. д.), оценить плотность и структуру паренхимы печени и поджелудочной железы при их диффузном поражении, диагностировать даже малые количества (100-200 мл) свободной жидкости в брюшной полости, выявить конкременты в желчевыводящих путях, оценить изменения крупных сосудов, желчных протоков и т. п.

4.1 Подготовка пациента

За 3 дня до исследования пациенту рекомендуется исключить из питания молоко, черный хлеб, фрукты и овощи, сладкие соки и другие продукты, способствующие газообразованию в кишечнике. При склонности к метеоризму следует назначить ферментные препараты (фестал, панзинорм и др.) и адсорбенты (активированный уголь, настой ромашки и др.).

Вечером накануне исследования и утром непосредственно перед исследованием ставят две очистительные клизмы. Впрочем, эта процедура не является обязательной при отсутствии у пациента метеоризма.

При необходимости экстренного ультразвукового исследования специальная подготовка желудочно-кишечного тракта не проводится.

Следует помнить, что ультразвуковое исследование органов брюшной полости целесообразно проводить не ранее, чем через 2 суток после рентгенологического исследования желудка с контрастированием или эзофагогастродуоденоскопии и через 3-5 дней после проведения лапароскопии или пневмоперитонеума.

4.2 Техника исследования

Эхографию печени осуществляют обычно из субкостального и/или интеркостального доступа в реальном масштабе времени. Исследование печени проводят во время задержки дыхания на вдохе, когда печень немного опускается вниз и становится более доступной для визуализации. При продольном сканировании в эпигастральной области датчик устанавливают на 2 см влево от передней срединной линии, при поперечном -- датчик перемещают к пупку (рис. 1). Используют также технику так называемого «косого» сканирования печени, когда УЗ-датчик располагается параллельно правой реберной дуге под углом 45° в краниальном направлении, и другие позиции датчика.

Таким образом удается визуализировать правую и левую доли печени, желчный пузырь, общий печеночный, общий желчный протоки, анатомические структуры, входящие в состав ворот печени, головку поджелудочной железы.

Исследование заканчивается сканированием брюшной полости для выявления свободной жидкости.

4.3 Анализ и интерпретация результатов исследований

Нормальная ультразвуковая картина печени

У здорового человека сагиттальные размеры печени по срединно-ключичной линии составляют, в среднем, 10,5±1,5 см с колебаниями от 9 до 12 см, а по передней срединной линии -- 8,3±1,7 см. Поперечник печени -- 20-22,5 см.

Нижний угол печени, образованный дорзальной и вентральной поверхностями органа -- острый: в области левой доли он не превышает 45°, а в области правой доли -- 75°.

Хорошо визуализируется воротная вена (в центре), под ней - правая печеночная вена (продольный срез).

В норме контуры печени почти на всем протяжении четкие и ровные. Печень имеет гомогенное строение с равномерным одинаковым по интенсивности распределением сигналов, изображением эхоструктур (сосуды, связки, протоки). Постоянно лоцируется нижняя полая вена в виде лентообразного эхонегативного образования диаметром до 15 мм.

Портальная вена после ее образования из верхнебрыжечной и селезеночной вен впадает в ворота печени, которые лоцируются при поперечном и сагиттальном положении зонда. Внутрипеченочные протоки в норме прослеживаются с трудом, их просвет увеличивается от периферии к воротам печени. В отличие от вен внутрипеченочные протоки лишены стенок.

Таким образом, нормальная ультразвуковая картина печени характеризуется наличием мелких, неинтенсивных, относительно далеко расположенных друг от друга эхосигналов, в результате чего между ними остаются эхонегативные пространства. Эхосигналы гомогенны по размеру и равномерно распределены по всей печени. Портальные сосуды прослеживаются по периферии печени; эхоструктура их стенок более выражена, чем эхоструктура окружающей их паренхимы печени, звукопроводимость печени полностью сохранена; сагиттальный размер составляет 9-12 см; печень эластичная и имеет ровный, четкий контур.

Диффузные заболевания печени

К числу наиболее распространенных диффузных поражений печени относятся гепатиты (острые и хронические), жировая дистрофия и циррозы печени. Правильный диагноз при ультразвуковом исследовании зависит от целого ряда объективных и субъективных причин (табл. 1). К первым из них относят тип прибора, его чувствительность, разрешающую способность, наличие факторов, ухудшающих изображение (ожирение, газообразование в кишечнике и др.). Большое значение имеют опыт специалиста и тщательность проведения исследования. Наибольшие трудности представляет диагнозранних стадий жировой дистрофии и цирроза печени.

Таблица 1. Частота правильного эхографического диагноза при заболеваниях, сопровождающихся диффузным поражением печени (в процентах)

При острых и хронических гепатитах эхографическая картина весьма неспецифична. Обычно определяется увеличение печени за счет одной или обеих долей, закругление ее краев. Эхоструктура часто нормальна, слабоэхогенна (рис. 3). Лишь при длительном течении заболевания эхоструктура печени становится «пестрой» и наблюдается чередование участков слабой и высокой эхогенности. В некоторых случаях, в частности, при развитии портальной гипертензии, можно обнаружить увеличение селезенки и расширение селезеночной и портальной вены.

Жировая дистрофия печени (жировой гепатоз). Основным эхографическим признаком жировой дистрофии печени является усиление эхоструктуры печени в виде равномерного увеличения количества и размеров эхосигналов. Это связано с отложением жира в печеночных дольках, расстояние между которыми и их размеры увеличиваются настолько, что ультразвуковые волны отражаются от них.

К числу важных, но менее специфичных признаков относятся увеличение размеров печени, увеличение нижнего угла левой доли более 45°, нечеткость контуров печени и невозможность выявления воротной вены.

Эхографическая картина при жировой дистрофии печени зависит от степени вовлечения в процесс печеночных клеток. При первой стадии заболевания печень несколько увеличена, край закруглен. Эхоструктура имеет пеструю картину, паренхима неравномерно мелкоочагово уплотнена. Это так называемый «островковый» вид поражения печени, который встречается и при гепатитах. При второй стадии печень значительно большего размера, нижний край закруглен, структура паренхимы мелкоочаговая, печень диффузно и равномерно уплотнена. При третьей стадии заболевания печень значительных размеров за счет увеличения обеих долей. Она имеет округлую форму. Структура паренхимы высокой плотности (эхогенности), портальные сосуды не лоцируются.

Цирроз печени. Выделяют прямые и косвенные эхографические признаки цирроза печени (табл. 2). Диагноз цирроза печени считается достоверным, если при ультразвуковом исследовании выявляются 3 прямых или 2 прямых и 2 косвенных признака заболевания.

Таблица 2. Прямые и косвенные эхографические признаки цирроза печени

В большинстве случаев размеры печени увеличены, нередко преимущественно за счет левой доли печени. В конечной стадии заболевания при преобладании атрофических процессов размеры органа уменьшаются.

Характерно значительное закругление нижнего края печени и неровность ее контуров.

Эхоструктура печени существенно усиливается за счет появления более частых и крупных эхосигналов, что связано со значительной перестройкой архитектоники печени, характерной для цирроза. При атрофической стадии количество и размер эхосигналов снижаются.

Наконец, важными признаками цирроза является снижение эластичности и звукопроводимости печени.

Косвенные эхографические признаки цирроза связаны преимущественно с развитием синдрома портальной гипертензии. Расширение селезеночной вены больше 10 мм и портальной вены больше 15 мм считают достоверными признаками повышения давления в системе v. porta.

Увеличение размеров селезенки и усиление ее эхоструктуры наблюдаются в 60-70% случаев цирроза печени, хотя этот признак не является специфичным только для портальной гипертензии.

Асцитическая жидкость в брюшной полости при ультразвуковом исследовании выглядит как эхонегативная структура, которая скапливается в боковых частях живота, в малом тазу или (при малых количествах жидкости) располагается вокруг печени. В этих случаях целесообразно исследование при перемене положения тела пациента (лежа и стоя).

«Застойная» печень. Во всех случаях застойной недостаточности кровообращения отмечают увеличение размеров печени и закругление ее краев (рис. 4). Патогномоничным признаком «застойной» печени является расширение нижней полой вены и печеночных вен, ветвление печеночных вен под углом близким к 90°. Характерно, что нижняя полая вена теряет способность изменять диаметр при дыхании: она вообще не сужается при вдохе или сужается очень мало.

Очаговые изменения в печени

Ультразвуковое исследование печени при очаговых изменениях печени более информативно, чем при диффузных поражениях. При этом отмечаются локальное снижение или усиление эхоструктуры, диффузное или очаговое увеличение размеров печени и неровность ее контура с появлением выпуклости. Объемные очаговые процессы в печени могут вызывать сдавление желчных протоков с возникновением механической желтухи.

Наиболее частым признаком очаговых изменений печени является нарушение нормальной эхоструктуры печени. Различают несколько типов очаговых нарушений эхоструктуры.

1. Очаги, лишенные эхоструктуры (кисты печени, гематома, абсцесс печени, некротизированные опухоли).

2. Очаги со сниженной эхоструктурой (метастазы низкодифференцированного рака, саркома, злокачественная лимфома, гепатоцеллюлярный рак, аденома, гемангиома, абсцесс, гематома и др.).

3. Очаги с усиленной эхоструктурой (метастазы высокодифференцированного рака, гепатома, аденома, гемангиома, рубцы, очаги обызвествления) (рис. 5-8).

4. Симптом «мишени» -- снижение эхоструктуры по периферии очага и усиление ее в центре (злокачественная опухоль печени).

Таким образом, информативность ультразвукового исследования печени достаточно высока, особенно при очаговых поражениях органа. Тем не менее следует учитывать возможные ложноположительные и ложноотрицательные заключения. Поэтому при анализе и интерпретации результатов исследования необходимо учитывать клиническую картину заболевания в целом, а также данные других лабораторных и инструментальных методов исследования.

Важно знать:

1. Нормальная ультразвуковая картина, в том числе сагиттальные размеры печени по срединно-ключичной линии, не превышающие 12-15 см, не исключает наличия заболевания этого органа.

2. Диффузные или очаговые изменения эхоструктуры печени достоверно свидетельствуют в пользу ее патологии.

3. По ультразвуковой картине нельзя достоверно дифференцировать различные формы гепатита, начальные стадии жировой дистрофии и цирроза печени.

4. При диффузных изменениях печени окончательный диагноз следует верифицировать гистологически (см. ниже).

5. Для уточнения диагноза при очаговых изменениях в печени в большинстве случаев целесообразно проведение прицельной биопсии под эхографическим контролем для последующего цитологического и гистологического анализа.

ультразвуковой аппарат брюшной патология

5. Технические характеристики

В качестве примера, возьмем ультразвуковой сканер Aloka Prosound Alpha 6.

Технические характеристики Aloka Alpha-6:

Методы сканирования: линейный, конвексный, фазированный секторный

Диапазон глубин сканирования 0,5 - 30 см.

Динамическое фокусирование на всех глубинах

Выбор до 45 предустановок

Четыре динамических фокуса

Подключение педали заморозки изображения

Потребляемая мощность до 900 VA

Прибор с цветным 15' ЖК монитором

Электронный конвексный абдоминальный датчик UST-9123 (3,08 - 5,71 МГц / 60°/60R)

Индикация информации о пациенте:

1)расчёты расстояния, длины окружности, площади, объёма, различных отношений, угла тазобедренного сустава, срока беременности и массы плода

2)расчёты скорости, ЧСС, временного интервала, функции левого желудочка.

Выводы

Разработала принципа строения ультразвукового аппарата для исследования органов брюшной полости для выявления патологии.

Аппарат ультразвуковой диагностики - прибор, предназначенный для получения информации о расположении, форме и структуре органов и тканей и измерения линейных размеров биологических объектов методом ультразвуковой локации.

Размещено на Allbest.ru