Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра физики и информационных систем

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

цифровой анализ избражений ультразвуковой медицинской диагностики

Направление магистерской подготовки 201000.68 Биотехнические системы и технологии

Руководитель магистерской программы «Методы анализа и синтеза медицинских изображений»

Бут Алексей Васильевич

Краснодар 2014

РЕФЕРАТ

Магистерская диссертация:72с., 41 рис.,17 источников.

ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Ключевые слова: ультразвуковая медицинская диагностика, анализ изображений, датчик, эхогенность, эхоструктура, УЗИ.

Цель данной Магистерской диссертации: Анализ снимков Ультразвуковой диагностики, описание алгоритма обработки Узи и Алгоритма выявления патологических образований.

Основные результаты магистерской диссертации заключаются в следующем:

Описан алгоритмы обработки ультразвуковых изображений, позволяющий понять принципы по которым обрабатываются данные, полученные в результате ультразвуковой диагностики и алгоритм выявления патологических образований, позволяющий улучшить качество изображения и выделить области патологических образований на общей картинке УЗИ.

Содержание

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Современные методы диагностической визуализации
• 1.1 УЗИ (ультразвуковое исследование)
• 1.2 Магнитно-резонансная томография (МРТ)
• 1.3Компьютерная томография (КТ)
• 1.4Позитронно-эмисионная компьютерная томография (ПЭТ-КТ)
• 1.5Ангиография
• 2. История возникновения и развития УЗИ
• 2.1 Первые опыты применения ультразвука в области медицины
• 2.2 Физические основы УЗИ
• 2.3 Составляющие системы ультразвуковой диагностики
• 2.4 Методики ультразвукового исследования
• 2.5 Доплерография
• 2.6 Эхоконтрастирование
• 3. Применение Ультразвуковых волн в медицине
• 3.1 Терапевтическое применение ультразвука в медицине
• 3.2 Опасность и побочные эффекты
• 3.3 Диагностика органов
• 4. Классификация аппаратов УЗИ
• 4.1 УЗИ сканеры
• 4.2 Типы датчиков
• 5. Алгоритм обработки УЗИ
• 6. Алгоритм выявления патологических образований
• Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной работы является изучение метода ультразвуковой медицинской диагностики и возможности улучшения качества изображения снимков при их цифровой обработке.

Задачи - это описание алгоритмов построения изображения и алгоритмов выявления аномальных областей на изображении.

УЗИ -- ультразвуковое исследование -- метод диагностики, который на сегодняшний день является одним из основных инструментов современной медицины и применяется практически во всех её областях. Будучи довольно молодым методом, УЗИ диагностика совершила настоящий переворот, обеспечив врачей мощным, быстрым, безопасным, информативным и достоверным инструментом обследования пациентов для выявления широкого круга заболеваний.

На сегодняшний день ультразвуковая диагностика стала всеобъемлющей, часто первичной, скрининговой, в некоторых случаях, окончательным методом диагностики. Фактически, став обязательным компонентом «Золотого стандарта диагностики», ультразвуковое исследование неотделимо от медицины высоких технологий.

Ультразвуковое исследование - это исследование состояния органов и тканей с помощью ультразвуковых волн. Проходя через ткани, а точнее через границы между различными тканями, ультразвук отражается. Специальный датчик фиксирует эти изменения, которые и являются основой изображения. Ультразвуковые изображения в виде срезов тела в реальном масштабе времени отражают форму, структуру и движения органов и тканей.

К преимуществам УЗИ метода относится: неинвазивность, доступность, отсутствие противопоказаний, безвредность, высокая информативность.

1. Современные методы диагностической визуализации

Медицинская визуализамция -- раздел медицинской диагностики, занимающийся неинвазивным исследованием организма человека при помощи физических методов с целью получения изображения внутренних структур. В частности, могут использоваться звуковые волны (главным образом ультразвук), электромагнитное излучение различных диапазонов, постоянное и переменное электромагнитное поле, элементарные частицы, излучаемые радиоактивными изотопами (радиофармпрепаратами). Медицинская визуализация является основой большинства современных диагностических и лечебных технологий, позволяющий достигнуть прорыва в современной медицине.

К основным методам медицинской диагностической визуализации относятся следующие исследования: Ультразвуковое исследование (УЗИ),

1.1 УЗИ (ультразвуковое исследование)

Наиболее распространённый, высокоинформативный, абсолютно безболезненный и безопасный способ диагностики, в основе которого лежит использование феномена ультразвуковой эхолокации. УЗИ позволяет получать изображения с высоким разрешением при обследовании брюшной полости, скелетно-мышечной системы, а также в акушерстве, гинекологии и урологии. Отделение УЗИ позволяет делать цветные доплеровские исследования сосудистой системы, биопсию груди и других органов с помощью тонких игл.

Ультразвуковое исследование (УЗИ) -- неинвазивное исследование организма человека или животного^[1] с помощью ультразвуковых волн. Физическая основа УЗИ -- пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды -- прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания -- временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание;частотой -- числом колебаний в единицу времени; длиной -- расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм. Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости распространения звуковых волн. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс». 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. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.^[2] Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера. Сущность эффекта состоит в том, что от движущихся объектов ультразвуковые волны отражаются с измененной частотой. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости движения лоцируемых структур -- если движение направлено в сторону датчика, то частота увеличивается, если от датчика -- уменьшается.

Трёхмерное допплеровское картирование и трёхмерная ЭД. Методики, дающие возможность наблюдать объемную картину пространственного расположения кровеносных сосудов в режиме реального времени в любом ракурсе, что позволяет с высокой точностью оценивать их соотношение с различными анатомическими структурами и патологическими процессами, в том числе со злокачественными опухолями. В этом режиме используется возможность запоминания нескольких кадров изображения. После включения режима исследователь перемещает датчик или изменяет его угловое положение, не нарушая контакта датчика с телом пациента. При этом записываются серии двухмерных эхограмм с небольшим шагом (малое расстояние между плоскостями сечения). На основе полученных кадров система реконструирует псевдотрёхмерное изображение только цветной части изображения, характеризующее кровоток в сосудах. Поскольку при этом не строится реальная трехмерная модель объекта, при попытке изменения угла обзора появляются значительные геометрические искажения из-за того, что трудно обеспечить равномерное перемещение датчика вручную с нужной скоростью при регистрации информации. Метод позволяющий получать трёхмерные изображения без искажений, называется методом трёхмерной эхографии (3D).

Опасность и побочные эффекты. Ультразвуковое исследование в целом считается безопасным способом получения информации. Диагностическое ультразвуковое исследование плода так же в целом рассматривается как безопасный метод для применения в течение беременности. Эта диагностическая процедура должна применяться, только если есть веские медицинские показания, с таким наименьшим возможным сроком воздействия ультразвука, который позволит получить необходимую диагностическую информацию, то есть по принципу минимального допустимого или АЛАРА-принципу. Отчёт 875 Всемирной организации здравоохранения за 1998 г. поддерживает мнение, что ультразвук безвреден: «Диагностическое ультразвуковое исследование плода признаётся безопасным, эффективным и в высокой степени гибким способом получением изображения, позволяющим выявить клинически существенную информацию о большинстве частей тела быстрым и рентабельным способом». Несмотря на отсутствие данных о вреде ультразвука для плода, Управление по контролю качества продуктов и лекарств (США) рассматривает рекламу, продажу или аренду ультразвукового оборудования для создания «видео плода на память», как нецелевое, несанкционированное использование медицинского оборудования.

1.2 Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Современный лучевой метод диагностики, отличающийся высокой степенью информативности и надёжности. (MRT) показывает трехмерную карту организма, зачастую снимая необходимость в проведении предварительной операции. Как правило, она применяется для неврологических обследований, а также при повреждениях мышц, суставов и спинного мозга. Постоянно следуя современным концепциям для повышения эффективности и качества, отделение медицинской визуализации применяет систему связи и архивации изображений, соединенную с отделами ангиографии, MRI, CT и УЗИ. Эта многопрофильная система в считанные секунды сохраняет, отыскивает и передает изображения из одного медицинского учреждения в другое.

Магнитно-резонансная томография (МРТ, MRT, MR) -- томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления Ядерного магнитного резонанса -- метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в мощном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте. На основе параметров протона (спинов) и их векторном направлении, которые могут находиться только в двух противоположных фазах, а также их привязанности к магнитному моменту протона можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода.Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному моменту поля, причём во втором случае его энергия будет выше. При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определённой частоты часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный, а потом вернутся в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время «расслабления» (релаксации) предварительно возбужденных протонов.

Первые томографы имели индукцию магнитного поля 0,005 Тл, однако качество изображений, полученных на них, было низким. Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются как электромагниты (до 9,4 Тл), так и постоянные магниты (до 0,7 Тл). При этом, так как поле должно быть весьма сильным, применяются сверхпроводящиие электромагниты, работающие в жидком гелии, а постоянные магниты пригодны только очень мощные, неодимовые. Магнитно-резонансный «отклик» тканей в МР-томографах на постоянных магнитах слабее, чем у электромагнитных, поэтому область применения постоянных магнитов ограничена. Однако, постоянные магниты могут быть так называемой «открытой» конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ -- так называемая интервенционная МРТ.

Для определения расположения сигнала в пространстве, помимо постоянного магнита в МР-томографе, которым может быть электромагнит, либо постоянный магнит, используются градиентные катушки, добавляющие к общему однородному магнитному полю градиентное магнитное возмущение. Это обеспечивает локализацию сигнала ядерного магнитного резонанса и точное соотношение исследуемой области и полученных данных. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. Мощность и скорость действия градиентных усилителей относится к одним из наиболее важных показателей магнитно-резонансного томографа. От них во многом зависит быстродействие, разрешающая способность и соотношение сигнал/шум.

Существуют как относительные противопоказания, при которых проведение исследования возможно при определённых условиях, так и абсолютные, при которых исследование недопустимо.

Абсолютные противопоказания:

- установленный кардиостимулятор (изменения магнитного поля могут имитировать сердечный ритм);

- ферромагнитные или электронные имплантаты среднего уха;

- большие металлические имплантаты, ферромагнитные осколки;

- ферромагнитные аппараты Илизарова.

Относительные противопоказания:

- инсулиновые насосы;

- нервные стимуляторы;

- неферромагнитные имплантаты внутреннего уха;

- протезы клапанов сердца (в высоких полях, при подозрении на дисфункцию);

- кровоостанавливающие клипсы (кроме сосудов мозга);

- декомпенсированная сердечная недостаточность;

- первый триместр беременности (на данный момент собрано недостаточное количество доказательств отсутствия тератогенного эффекта магнитного поля, однако метод предпочтительнее рентгенографии и компьютерной томографии);

- клаустрофобия (панические приступы во время нахождения в тоннеле аппарата могут не позволить провести исследование);

- необходимость в физиологическом мониторинге;

- неадекватность пациента;

- тяжёлое/крайне тяжелое состояние пациента по основному/сопутствующему заболеванию.

Также МРТ противопоказана (или время обследования должно быть значительно сокращено) при наличии татуировок, выполненных с помощью красителей с содержанием металлических соединений. Широко используемый в протезировании титан не является ферромагнетиком и практически безопасен при МРТ; исключение -- наличие татуировок, выполненных с помощью красителей на основе соединений титана (например, на основе диоксида титана).

Дополнительным противопоказанием для МРТ является наличие кохлеарных имплантатов -- протезов внутреннего уха. МРТ противопоказана при некоторых видах протезов внутреннего уха, так как в кохлеарном имплантате есть металлические части, которые содержат ферромагнитные материалы.

1.3 Компьютерная томография (КТ)

Рентгеновский метод визуализации, позволяющий производить послойное сканирование человеческого тела. (КТ) является важным средством для выявления небольших различий в плотности тканей с целью диагностики многих болезней. Медицинский центр «Ассута» располагает большими СТ мощностями, в том числе самой современной многоуровневой «4-х срезной» системой. Ежедневно осуществляется более 60 обследований СТ. диагностический визуализация ультразвуковой патологический

Компьютерная томография (КТ) - метод обследования, при котором для получения детального изображения внутренних органов и структур применяются рентгеновские лучи.Компьютерная томография -- метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, был предложен в 1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями.

Во время процедуры пациент лежит на специальном столе, соединенном с КТ-сканером, который представляет собой большой аппарат в форме кольца. Вращаясь, сканер пропускает рентгеновские лучи через изучаемую область тела. Каждый оборот занимает меньше секунды, и на экране компьютера возникает срез исследуемого органа. Все послойные изображения сохраняются как группа, их также можно распечатать. Чтобы сделать изображение более отчетливым, в компьютерной томографии часто используются RКонтактные средства, содержащие йод. Они применяются при исследовании кровотока, для обнаружения опухолей и других заболеваний. Контрастное вещество вводится в вену или непосредственно в область исследования (например, кишечник или сустав), в некоторых случаях пациент должен его выпить. Снимки делаются до и после применения контраста.КТ используется для исследования практически всех частей тела и органов: грудной клетки, брюшной полости, таза, конечностей, печени, поджелудочной железы, кишечника, почек и надпочечников, мочевого пузыря, легких, сердца, а также кровеносных сосудов, костей и позвоночника.

Опасна ли компьютерная томография:

- риск осложнений после процедуры незначителен.

Существует возможность аллергической реакции на контрастное вещество.

Если Вы страдаете от сахарного диабета и принимаете метформин (Глюкофаг), применение контраста может создать проблемы. Обсудите этот вопрос с врачом.

Существует небольшая возможность развития онкологических заболеваний, связанная с прохождением некоторых видов КТ. Эта вероятность выше у детей или взрослых, которые проходят большое количество обследований с использованием рентгеновских лучей. Если этот вопрос Вас беспокоит, поговорите с врачом о том, какую дозу излучения Вы (или Ваш ребенок) получите при данном обследовании, и убедитесь в том, что оно действительно необходимо.

Существует незначительный риск того, что работа томографа повлияет на работу имплантированных или внешних медицинских приборов, таких как электрокардиостимулятор, инсулиновая помпа, дефибриллятор или нейростимулятор.

1.4 Позитронно-эмисионная компьютерная томография (ПЭТ-КТ)

Инновационный метод обследования, объединяющий в себе преимущества сразу двух диагностических технологий - позитронно-эмисионной томографии и компьютерной томографии. Позитромнно-эмиссиомнная томограмфия (позитронная эмиссионная томография, сокращ. ПЭТ), она же двухфотонная эмиссионная томография -- радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием.

Позитронно-эмиссионная томография -- это развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В основе этого метода лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами. Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений -- радиофармпрепаратов (РФП). Именно выбор подходящего РФП позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, лиганд-рецепторные взаимодействия, экспрессию генов и т. д. Использование РФП, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому разработка новых РФП и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов в настоящее время становится ключевым этапом в развитии метода ПЭТ.

1.5 Ангиография

Диагностический метод, позволяющий получать представление о состоянии кровеносных сосудов. Ангиография является оптимальным способом диагностики аортокоронарной болезни. Она позволяет провести различные обследования сосудов, а также сделать ангиограммы, баллонную ангиопластику и имплантацию стента. Отделение ангиографии также осуществляет диагностику заболеваний мочевой и пищеварительной системы.

Визуализирующего метод нашел применение в исследовании многих биохимических процессов. Так как в большинстве случаев локализация и протяженность патологического процесса неизвестна, использование эффективного метода диагностики во всем организме является первостепенной задачей. Визуализация является чрезвычайно эффективным методом для решения этой задачи, так как данные представляются в виде изображений, а именно зрение является наиболее эффективной системой восприятия человека для поиска, определения и описания. Узнавание зависит от типа информации, представленной на изображении; как в плане определения, что оно означает, так и в плане какова его чувствительность для идентификация наличия патологического процесса.

Аппаратные артефакты.

Наиболее распространенные источники артефактов могут быть разделены на три основные группы: аппаратное обеспечение, система сбора информации и система цифровой обработки. Для того, чтобы определять источник артефактов на ПЭТ-изображениях, важно хорошо знать аппаратное обеспечение сбора и обработки информации, используемое на разных этапах формирования конечных ПЭТ-изображений:

Отказ детектора

В позитронно-эмиссионной томографии из артефактов, обусловленных аппаратным обеспечением, чаще всего встречается артефакт, вызванный отказом в системе детекторов или системе последующей сортировки. Причина артефактов такого рода легко определяется на синограмме (см. выше). Чаще всего можно наблюдать артефакт, вызвнный отказом детектора. Это обычно обусловлено отказом фотоумножителя связанного с кристаллами сцинтиллятора. Артефакт от отказа детектора создает на изображении веерообразную рябь, которая соответствует расходящемуся пучку линий совпадений, которую формируют детектор с противоположным детектором. На синограмме (справа) отказ одного детектора отражается как одна наклонная линия (либо холодная, либо горячая по отношению к окружению). Интенсивность артефакта зависит от количества детекторов в одном кольце системы. В системе с большим количеством детекторов маловероятно, что при выпадении одного детектора приведет к сколь-нибудь серьезным артефактам.

Ошибка памяти

После регистрации события совпадения сканером, событие сортируется и считается в гистограммной памяти. Ошибки в сортировщике или гистограммной памяти являются еще одним потенциальным источником артефактов в позитронно-эмиссионной томографии. Проблемы такого рода возникают, когда одна или более ячейки памяти не обнуляются правильным образом и заполнены ошибочным числом событий. На синограмме это отображается в виде одного или множества горячих пятен. После реконструкции данных эти горячие пятна преобразуются одиночные полоски на изображении. Эти артефакты могут быть убраны вручную путем удаления этих горячих пятен из синограммы и повторной реконструкции данных. Однако, при выраженной проблеме это может стать утомительным. Одним из наилучших способов проверки функциональности ПЭТ-системы является пробный сбор данных с вращающимся в плоскости источником. Визуальная проверка полученных синограмм обычно позволяет обнаружить любой тип аппаратной неисправности. Этот тест должен являться частью ежедневной проверки работоспособности и качетсва позитронно-эмиссионного томографа.

Движения пациента.

В исследованиях головного мозга, артефакты вызванные движениями пациента обычно приводят к потере пространственного разрешения. Последствия движений пациента могут быть снижены путем сбора данных в динамической последовательности. После проведения исследования, динамические изображения могут быть просмотрены в режиме кинопетли для определения двигался пациент во время сбора информации или нет. Если пациент двигался, то для суммирования и формирования конечных изображений отбираются только те кадры на которых пациент лежит правильно.

Артефакты, вызванные самим гентри

Это кардиоисследование с ФДГ является иллюстрацией артефакта, возникшего при реконструкции изображения. Этот артефакт отражается на изображениях в виде ряда полос на изображениях, которые похожи на веерообразные артефакты, вызванные отказом детектора. Однако, синограмма (справа) не говорит ни о каком повреждении детектора. Синусоидальная кривая высокой интенсивности, проходящая через всю синограмму означает, что в поле обзора присутствует область с очень высоким накоплением.

Если тот же самый набор данных реконструируется с меньшим увеличением (например, реконструируется все поле обзора), то с краю поля обзора можно увидеть область с очень высокой интенсивностью (см. среднее изображение). Это может быть вызвано тем, что в катетере инъекции остался радиофармпрепарат. Если изменить масштаб изображения, то можно заметить, что полосы, проходящие по миокарду, исходят из области высокой интенсивности. К сожалению, в данном случае интенсивность высокоактивной области такова, что интенсивность полос имеет такую же величину как накопление в миокарде, что создает видимые помехи на изображении.

Ошибки обработчика. Некоторые ошибки в интерпретации изображений связаны с оператором обрабатывающим данные. Часто вводятся неправильные параметры обработки (отсутствие коррекции ослабления, неправильный фильтр реконструкции и т.д.). Так как большинство шагов обработки требует минимального участия оператора, эти типы артефактов встречаются редко. Единственный этап обработки, действительно требующий существенного вмешательства оператора, - определение эллипса головы при исследованиях мозга. Если не принять меры, этот этап может вызвать серьезный артефакт.

Использование одновременно нескольких техник визуализации, дает возможность получения трехмерного изображения (3D Imaging), что дает возможность проведения мини инвазивных хирургических и радиохирургических манипуляций, а также использование роботохирургической техники с компьютерной навигацией.

2. История возникновения и развития УЗИ

С давних времён учёные-исследователи в области физики, математики, материаловедения, позднее в электронике, пытались проникнуть за грань материального.

Ещё Леонардо да Винчи в XV веке погружал в жидкость трубку, пытаясь определить движение и скорость движущихся навстречу друг другу кораблей. Так со временем появился ультразвук, которым стали пользоваться во многих сферах, с том числе в медицине, сначала в диагностике, а затем и в лечении. Что же такое ультразвук? Ультразвук - это упругие колебания с частотами выше диапазона слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в виде волны в газах, жидкостях и твёрдых телах или образующее в ограниченных областях этих сред стоячие волны.

В XIX веке ультразвук произвёл настоящий бум в среде исследователей, объединив усилия учёных различных областей. Например, швейцарский физик Жан - Даниел и математик Чарльз Штурм, занимаясь проблемами скорости звука в воде, внесли немалый вклад в развитие гидролокатора. Учёный Калладон в результате своих экспериментов сумел определить скорость звука в воде. Благодаря этому родилась гидроакустика.

В конце XIX века, в 1877 году, Джон Уильям Струтт разработал теорию звука, которая и явилась основой науки об ультразвуке. В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» - «давлю»), а материалы с такими свойствами - пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца - разные физические свойства вдоль разных граней.

Во время первой мировой войны французский исследователь Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.

Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил, что кристалл колеблется в такт изменению напряжения. Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами не одну, а несколько пластинок и добился возникновения резонанса - резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики, которые могут быть любой формы и размеров.

Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что при перемагничивании электрическим током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока. При этом в окружающей среде возбуждаются волны, частота которых зависит от колебаний стержня. Это явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» - «сжатие»).

Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач. Например, ультразвуковые дефектоскопы, (Рис. 003) объединенные с компьютером, помогают контролировать качество сварных швов, бетонных опор и плит. Ультразвуковую аппаратуру также с успехом применяют для резки и сверления металлов, стекла и других материалов. Ультразвук можно использовать для измельчения вещества - например, для приготовления тонко размолотого цемента или асбеста, для получения однородных эмульсий, для очистки жидкости или газа от примесей. (Рис. 004) С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты. Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный, чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в аэрозольных баллончиках.

2.1 Первые опыты применения ультразвука в области медицины

Широкое применение ультразвук нашёл в области медицины как метод диагностики -- УЗИ. По словам Яна Дональда, сказанным в 70-десятые годы, «медицинский гидролокатор весьма внезапно вырос и достиг совершеннолетия; фактически, его всплеск роста в пределах последних нескольких лет был почти взрывом». А начиналось это в далёкие пятидесятые годы 20 века. Американцы Холмс и Хоур, используя достижения в технических областях, первыми сканировали человека, погружая его в бак, изготовленный из башни от самолёта В29, с дегазованной водой, пропуская ультразвук вокруг оси 360 градусов, что и стало первой томограммой.

Открытие Йаффе привело к тому, что Тернер из Лондона, Лекселл из Швеции и Казнер из Германии использовали ультразвук для энцифалографии срединной линии головного мозга в целях обнаружения гематом, полученных в результате травмирования.

Инге Эдлер и Карл Хеллмут Герц стали пионерами в области эхокардиографии (ультразвуковой кардиографии).

В 1955 году Яном Дональдом и доктором Барром были проведены первые исследования опухолей, твёрдой и кистозной. При поддержке Яна Дональда инженер Том Браун создал прибор Mark 4, который дифференцировал твёрдые и кистозные опухоли, чем сумел спасти человеческую жизнь.

2.2 Физические основы УЗИ

Физическая основа УЗИ -- пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды -- прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания -- временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой -- числом колебаний в единицу времени; длиной -- расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.

Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости распространения звуковых волн. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс».

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. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.^[2]

В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.

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, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя.

2.3 Составляющие системы ультразвуковой диагностики

Генератором ультразвуковых волн является датчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.

Ультразвуковой датчик

В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллических преобразователей, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.

Рисунок 1- Схема регистрации (А) и генерации (Б) ультразвука пьезокристаллом. Схема А отображает прямой пьезоэлектрический эффект, схема Б - обратный.

Виды ультразвуковых датчиков:

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства и основные типы ультразвуковых 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.

Линейные датчики.