Осипов (Раздаточные материалы), страница 3

- фазовый метод, как правило, на базе процессора автокорреляционной обработки (phase-domain system);

- метод измерения временных сдвигов с применением кросс-, корреляционной обработки.

Первый метод использует допплеровский принцип измерения скоростей, при котором оценивается средняя величина допплеровского сдвига частоты в каждом контрольном объеме. Сдвиг частоты определяется путем измерения набега фаз эхо-сигналов между импульсами пачки и деления величины набега фаз на интервал времени между импульсами, т.е. на период пачки.

Второй метод, называемый TDU, основан на прямом измерении изменения положения совокупности движущихся отражателей (например, эритроцитов) на заданном интервале времени, после чего скорость их движения вычисляется простым делением пройденного пути на интервал времени. Изменение положения отражателей определяется по дополнительному временному сдвигу, возникающему в соседних импульсах пачки.

Эхо-сигналы от движущихся структур на практике не имеют четких границ. Поэтому из всей совокупности эхо-сигналов с интервалом Т между ними выделяются наиболее похожие друг на друга, и между ними измеряется временной сдвиг. «Похожесть» сигналов определяется с помощью алгоритма кросскорреляционной обработки.

Режим CFM позволяет наблюдать двухмерную картину распределения кровотока в области анализа в быстром темпе - с частотой смены кадров не менее 10 -15 с-1. Это условие наблюдения в реальном времени фаз сердечного цикла. Однако частая смена кадров и быстрое изменение скоростей кровотока затрудняют восприятие динамической информации, так как при этом могут ускользать диагностически значимые детали изображения.

Достоинство режима CFM no сравнению с режимами спектрального допплера очевидно: возможность в реальном времени наблюдать двухмерную картину кровотока в достаточно большой зоне, отображая информацию о средних скоростях (а иногда и о ширине спектра скоростей) в каждом отдельном элементе изображения.

Недостатки режима CFM:

• те же недостатки, которые присущи методам спектрального допплера и связаны с зависимостью оценки скорости от угла между осью УЗ луча и направлением кровотока, а также недостаток, общий с режимом PW, -появление искажений и ошибок оценки средней скорости вследствие неоднозначности;

• получение в основном качественной информации о скоростях кровотока в отличие от методов спектрального допплера, где возможна оценка количественных характеристик.

Вследствие того, что режим цветового допплеровского картирования в современных приборах обязательно сочетается с режимами спектрального допплера (PW и часто CW), это дает возможность сочетать все достоинства режимов.

СПОСОБЫ СКАНИРОВАНИЯ

СЕКТОРНОЕ (МЕХАНИЧЕСКОЕ) СКАНИРОВАНИЕ. В этом виде сканирования ось УЗ луча (акустическая строка) перемещается по углу так, что зона изображения имеет вид сектора В датчиках секторного механического сканирования угловое перемещение УЗ луча получается за счет вращения или качания вокруг некоторой оси УЗ преобразователя, излучающего и принимающего УЗ сигналы. Датчики с вращением (роторного типа) и датчики с качанием преобразователя ранее применялись очень широко. В настоящее время области их применения сузились, однако и сейчас они распространены, так как имеют следующие преимущества. - Возможность использования УЗ преобразователей с высокой частотой (10 МГц и более) и малыми размерами для офтальмологии, уретральных и сосудистых исследований.

• Единственный на сегодня способ реализации секторного сканирования в диапазоне углов от 120 до 360.

• Возможность применять кольцевые (аннулярные) УЗ преобразователи с высокой поперечной разрешающей способностью не только в плоскости сканирования, но и в плоскости, ей перпендикулярной. - Малый размер рабочей поверхности датчика, контактирующей с поверхностью тела, что позволяет исследовать органы, труднодоступные для датчиков с большой рабочей поверхностью. То же преимущество присуще микроконвексному и фазированному секторному сканированию.

Ограничения и недостатки секторного механического сканирования:

• малый размер зоны обзора возле рабочей поверхности при малых угловых размерах сектора сканирования (до 90). Строго говоря, это cкорee особенность секторного сканирования, которая не столько является недостатком, сколько просто должна быть учтена при определении области медицинского применения. Кроме того, в ряде случаев эта особенность преодолевается при использовании водных насадок.

• Наличие в датчике механически движущихся частей, что иногда может приводить к снижению надежности и вибрации датчика в руках оператора. Эти особенности в современных конструкциях датчиков практически преодолены – по уровню надежности они не уступают датчикам электронного сканирования, а вибрация в них существенно снижена.

• Мертвая зона в ближней области сектора наблюдения, т.е. невозможность получать информацию на малых глубинах (5 - 15 мм в зависимости от типа и частоты датчика). Это является следствием переотражений мощного сигнала излучения (в начале каждого зондирования) между поверхностью УЗ преобразователя и защитным колпачком. Недостаток этот можно частично преодолеть за счет лучшего акустического согласования материалов защитного колпачка, просветляющих слоев УЗ преобразователя и правильного подбора жидкости, заполняющей датчик.

• Увеличение расстояния между лучами (акустическими строками) на больших глубинах, что приводит к некоторому снижению поперечной разрешающей способности на этих глубинах. Это является недостатком всех сенсорных способов сканирования.

• Взаимное смещение направлений излучения и приема вследствие движения (вращения) УЗ преобразователя, особенно заметное на больших глубинах. Это приводит к некоторому снижению чувствительности и ухудшению поперечного разрешения, тем большему, чем больше угловая скорость сканирования.

ЛИНЕЙНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ СКАНИРОВАНИЕ. При этом способе сканирования угловое направление УЗ луча не меняется, а луч перемещается параллельно самому себе так, что начало луча двигается вдоль рабочей поверхности датчика по прямой линии. Зона обзора имеет вид прямоугольника.

Линейное сканирование производится путем переключения (коммутации) элементов в УЗ преобразователе, имеющем вид одномерной линейной решетки. Если в линейной решетке n элементов, то для формирования одного УЗ луча каждый раз используется только малая часть - т элементов из общего количества Подключение т элементов осуществляется с помощью специального коммутатора «m из n», входы которого соединены электрически со всеми п элементами решетки, а выходные m каналов соединены с многоканальным приемно-передаюшим трактом электронного блока прибора.

Типичные примеры комбинаций числа элементов п и числа каналов m, используемых в современных приборах:

• простые приборы: n =80; m = 16;

• приборы среднего класса: n=96 -128; m = 24 или 32;

• приборы высокого класса: n = 144 - 512; т = 32, 48, 64 и более. Датчики с большим числом каналов (более 96) иногда называются датчиками с высокой плотностью элементов. Естественно, такие датчики сложнее в изготовлении и дороже обычных.

Теперь поясним, как реализуется линейное сканирование на примере решетки с n = 80 и m=16. Для получения информации в одном (предположим, для определенности, в первом по порядку) направлении (акустической строке) коммутатор подключает к приемопередатчику элементы с 1-го по 16-й. На эти 16 элементов (они называются подрешеткой) подаются возбуждающие электрические импульсные сигналы, и все 16 элементов излучают акустические (УЗ) импульсы. Излучаемые сигналы имеют одинаковую форму, так что можно считать, что часть решетки действует как один излучатель, формирующий УЗ луч 1, ось которого перпендикулярна рабочей поверхности линейки и проходит через центр подрешетки (между 8-м и 9-м элементами). Сразу же после излучения зондирующего импульса подрешетка переходит в режим приема эхо-сигналов, так как эти же т элементов подключены к приемным каналам. Прием производится в том же луче 1. Иногда приемный луч может формироваться иначе: количество элементов может быть меньше или приемная подрешетка может быть несколько сдвинута относительно передающей. В результате приема в луче 1 в прибор поступает информация об эхо-сигналах в 1-м луче, и на мониторе прибора отображается первая акустическая строка. В следующем зондировании коммутатор подключает к приемопередатчику элементы со 2-го по 17-й, образуя новую подрешетку, сдвинутую относительно первой на один элемент, и все повторяется, как в случае луча 1, при этом формируется луч 2, такой же по форме, как первый, но сдвинутый на ширину одного элемента (шаг решетки). Аналогично формируются лучи 3, 4 и т.д. Если длина рабочей поверхности (апертуры) решетки L, то шаг решетки определится в результате деления L на n. Например, при L=96 мм и n= 80 шаг решетки L/n= 1,2 мм.

Нетрудно заметить, что количество лучей (акустических строк), которое может быть в результате получено, равно: k = п-т. Так, в случае n=80 и m= 16 число строк k = 64 и расстояние между ними 1,2 мм(при L= 96мм).

Разновидностью линейного сканирования является так называемое трапецеидальное сканирование, при котором, в отличие от обычного линейного сканирования, направления лучей не перпендикулярны рабочей поверхности датчика, а ориентированы под некоторым углом. В двух соседних кадрах эти углы могут быть различны , так что при суммировании кадров получается изображение в виде трапеции. Этот вид сканирования используется редко. Основные преимущества линейного сканирования:

- Широкая зона на малых глубинах, что делает линейное сканирование более предпочтительным, чем секторное, при исследовании структур, расположенных близко к поверхности, например щитовидной и молочной желез, а также при наблюдении плода в акушерстве. - Одинаково высокая плотность акустических строк на больших и на малых глубинах, что позволяет получать на больших глубинах несколько более высокое качество изображения, чем при секторном сканировании.

Ограничения и недостатки линейного сканирования.

- Ширина зоны обзора ограничена размером апертуры датчика, что иногда недостаточно для исследования структур на больших глубинах.

- Большой размер апертуры датчика затрудняет использование линейного сканирования в ряде областей медицинского применения.

КОНВЕКСНОЕ (ВЫПУКЛОЕ) ЭЛЕКТРОННОЕ СКАНИРОВАНИЕ. Этот метод отличается от линейного сканирования тем, что использует УЗ преобразователь в виде конвексной одномерной решетки. Управление сканированием аналогично управлению при линейном сканировании, для чего применяется такой же коммутатор "m из n". В силу геометрии решетки, отличной от линейной, лучи не параллельны друг другу, а расходятся веером в некотором угловом секторе.

Конвексное сканирование сочетает преимущества линейного и секторного сканирования.

• Широкая зона обзора возле поверхности датчика и еще более широкая зона обзора на средней и большой глубинах.

• Расходимость осей из лучей с глубиной при конвексном сканировании меньше, чем при секторном, поэтому плотность акустических строк на больших глубинах выше и, следовательно, несколько лучше поперечная разрешающая способность, чем при секторном сканировании.

Недостатки конвексного сканирования

• Выпуклая рабочая поверхность датчика при контакте с телом пациента деформирует структуры, лежащие близко к поверхности, что иногда нежелательно и вынуждает применять датчик с линейным сканированием.

• Большой размер рабочей поверхности затрудняет использование в кардиологии , где более целесообразно применять секторные датчики. Несмотря на указанные недостатки, конвексное сканирование является самым распространенным в настоящее время видом сканирования.

МИКРОКОНВЕКСНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ СКАНИРОВАНИЕ. Этот вид сканирования принципиально аналогичен конвексному. Отличие состоит лишь в величине радиуса кривизны рабочей поверхности (апертуры) датчика для микроконвексного сканирования радиус не превышает 20 - 25 мм. Зона обзора при микрокомвексном сканировании имеет такой же вид, как при секторном механическом сканировании, поэтому микроконвексное сканирование можно считать одним из видов секторного. Способ формирования лучей тот же, что при конвексном сканировании, хотя приходится преодолевать дополнительные сложности, возникающие из-за малого радиуса апертуры.

Преимущества микроконвексного сканирования те же, что и у других видов секторного сканирования.

Недостатки при микроконвексном сканировании такие же, как у всех видов секторного сканирования, и основным из них является снижение качества изображения на больших глубинах.

Поперечная разрешающая способность у микроконвексных датчиков может быть несколько хуже, чем у секторных механических и секторных фазированных датчиков.

Фазированное СЕКТОРНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ СКАНИРОВАНИЕ. Фазированное сканирование появилось в результате совершенствования линейного сканирования. При фазированном сканировании в отличие от линейного в каждом зондировании при излучении используются все элементы решетки. Число элементов обычно от 32 до 64. В наиболее совершенных системах число одновременно задействованных элементов может достигать 128.

К каждому из элементов постоянно подключены соответствующие каналы передающего и приемного трактов. Для осуществления сканирования генераторы импульсов возбуждений формируют одинаковые по форме импульсы, отличающиеся сдвигом во времени, причем сдвиг этот имеет вполне определенную закономерность в зависимости от номера канала (элементах например, как это показано на рис. 27. В результате элементы решетки излучают УЗ сигналы с таким же взаимным сдвигом во времени, и формируется фронт волны, соответственно повернутый в плоскости сканирования. УЗ луч, получающийся в результате суммирований в пространстве всех излучаемых решеткой УЗ сигналов, имеет направление, перпендикулярное фронту волны.