Морфологические и технологические основы ультразвуковой диагностики.

В Ижевске готовится к выходу новое "Учебно-методическое пособие для системы послевузовской подготовки врачей", под редакцией Кузнецова Е.П.

Попытка ещё раз осмыслить получаемые изображения, углублённый разбор связи физики и патоморфологии. Краткий пример ( относительно эластографии ):

«Нелинейно-упругая» модель. Понятие об элементарном осцилляторе живой ткани.

Она предусматривает более сложный процесс взаимодействия ультразвука и живых тканей.

Живая ткань – неоднородная среда, представляющая собой совокупность объектов, каждый из которых одновременно является и упругим, и инертным элементом колебательной системы, т. е. осциллятором . Типичной формой любых элементов живых объектов – от клеток до крупных анатомических структур – является упругая сфера, ограниченная напряженной оболочкой. Упругая сфера так или иначе (за счет избыточного давления, наличия упругих структур в оболочке и по всему объему и т. п.) обладает способностью к упругой деформации в любом направлении с восстановлением своей формы при снятии внешней силы (давления). Такой упругий анатомический элемент (стромальный пучок, микродолька и т.п.) можно рассматривать в качестве элементарного осциллятора, «кирпичика» звукопроводящей среды, формирующего поля рассеивания орагана и ткани..

В таком осцилляторе при сжатии возникает деформация сдвига, он уплощается. При снятии давления возникает релаксация и затухающие спонтанные колебания. Интенсивность колебаний зависит от интенсивности зондирующего импульса, его частоты (максимальна на резонансной частоте), длительности импульса (максимальна при коротких импульсах). Скорость затухания собственных колебаний такого осциллятора зависит от инертности, упругости и вязкости самого объекта и окружающей его среды (в т.ч. контакта с другими осцилляторами), а также других причин, приводящих к поглощению кинетической энергии. Цепочка таких осциллирующих упругих сфер и является простейшей моделью звукопроведения в живых тканях.

Рис.11 Нелинейно-упругая модель звукопроводящей среды.

1 – источник колебаний; 2– направление колебаний; 3 – сдвиговая деформация в области разрежения; 4 – сдвиговая деформация в области сжатия; 5 – направление распространения волны.

В результате возникновения деформации сдвига формируются волновые фронты, отличающиеся по форме и направлению от основного, задающегося источником колебаний. Такой вторичный («сдвиговый») волновой фронт может иметь форму концентрических колец, сегментов сферы или конусов. Анализ формирования таких вторичных фронтов – основной источник информации об упругих свойствах тканей при проведении динамической эластографии (рис.12).

Рис.12 Нелинейно-упругая модель звукопроводящей среды.

Формирование вторичных («сдвиговых») волновых фронтов.

1-направление распространения волны; 2- вторичные («сдвиговые») волновые фронты; 3- источник колебаний.

Эта модель оперирует понятием полей рассеяния, формирующихся при рассеивании, переизлучении и дифракции ультразвука, как когерентных акустических колебаний, на упругих элементах живых тканей.

Живая ткань рассматривается как нелинейная среда. Эта модель оперирует большим количеством учитываемых параметров. Помимо описанных в первой модели, здесь значимыми параметрами являются соотношение размера неоднородностей и длины волны ультразвука, модули объемной и сдвиговой упругости, величина акустического давления, коэффициенты нелинейности и т. д.

Фактически в тканях в ответ на прохождение зондирующего импульса возникает быстро затухающая акустическая эмиссия, которая и является источником детектируемого датчиком «отраженного» импульса, т. е. эхосигнала.

Эта модель отличается от «линейно-оптической» тем, что меняет приоритеты процессов, имеющих значение для формирования ультразвукового изображения.

Согласно «нелинейно-упругой» модели основными, приоритетными акустическими процессами при взаимодействии ультразвука с живыми тканями являются следующие:

- рассеивание и дифракция,

- переизлучение в различных направлениях и интерференция,

- резонансные явления и реверберация.

Приоритетные процессы линейно-оптической модели – зеркальное отражение и преломление – являются не столько источником информативных сигнала, сколько порождают помехи и артефакты.

В данной модели характер взаимодействия ультразвука зависит от размера объекта и определяется соотношением длины волны и размера неоднородности.

Итогом суперпозиции локальных звуковых полей, возникающих на неоднородностях среды, является поле рассеивания объекта, пространственно-частотный отклик среды – основная информационная матрица , анализ которой и является источником формирования ультразвукового изображения .

Эта модель позволяет описать процессы, лежащие в основе современных технологий – эластографии, гармонического сканирования, объяснить возникновение многих акустических феноменов и артефактов (спекл-шум, стриминг-эффект)...