Ультразвук представляет собой механические колебания упругой среды с частотой выше порога слышимости человеческого уха (более 20 кГц). В медицинской диагностике используются ультразвуковые волны с частотой от 1 до 50 МГц, в зависимости от требуемой глубины проникновения и пространственного разрешения.
Основной принцип ультразвуковой диагностики — регистрация эхосигналов, отражённых от границ между средами с различной акустической импедансой. Анализ амплитуды, времени задержки и частотных характеристик отражённых волн позволяет получать информацию о структуре тканей, их плотности, подвижности и кровотоке.
Ультразвуковые датчики используют пьезоэлектрический эффект, при котором некоторые кристаллы (например, титанат бария, цирконат-титанат свинца) при деформации создают электрическое напряжение и, наоборот, при воздействии переменного электрического поля генерируют механические колебания.
Современные датчики являются многоэлементными (массивы), что позволяет формировать и управлять направленным ультразвуковым пучком за счёт фазированной апертуры. Это повышает пространственное разрешение и обеспечивает возможность динамического фокусирования.
Скорость распространения ультразвуковых волн в тканях зависит от плотности и упругих свойств среды. Примерные значения скорости звука:
При прохождении ультразвуковой волны через неоднородные среды происходят отражение, преломление, рассеяние и поглощение. Эти процессы лежат в основе формирования изображений и ограничивают глубину сканирования.
Акустический импеданс (Z) — произведение плотности среды (ρ) на скорость звука в ней (c): Z = ρ × c
Различие акустических импедансов между двумя тканями определяет степень отражения ультразвуковой волны на их границе. Коэффициент отражения R: R = [(Z₂ - Z₁)/(Z₂ + Z₁)]²
При большом контрасте импедансов (например, между мягкой тканью и костью или воздухом) значительная часть энергии отражается, ухудшая визуализацию глубжележащих структур.
Разрешающая способность ультразвуковых систем определяется длиной волны, зависящей от частоты. Чем выше частота — тем лучше разрешение, но ниже глубина проникновения. Это требует компромисса между детальностью изображения и возможностью исследования глубоких тканей.
A-режим (amplitude mode): Одномерное отображение амплитуд отражённых сигналов. Используется редко, преимущественно в офтальмологии.
B-режим (brightness mode): Двумерное изображение в серой шкале, формируемое по интенсивности отражённого сигнала. Это основной режим в диагностике.
M-режим (motion mode): Позволяет регистрировать движение отражающих структур во времени (например, движение створок клапанов сердца).
Допплеровские режимы: Основаны на измерении сдвига частоты отражённого сигнала при движении крови.
Акустические артефакты — искажения изображения, вызванные особенностями распространения и взаимодействия ультразвуковых волн. Основные из них:
Понимание природы артефактов позволяет правильно интерпретировать результаты.
Ультразвук считается безопасным методом визуализации, поскольку не использует ионизирующее излучение. Однако возможны тепловые и механические биофизические эффекты:
При соблюдении международных стандартов (AIUM, FDA) и правильном использовании оборудования риск повреждения тканей крайне низок.
Кардиология: Оценка сократимости миокарда, клапанного аппарата, кровотока в камерах сердца и крупных сосудах.
Акушерство и гинекология: Оценка состояния плода, плаценты, матки и яичников. Широко используется благодаря отсутствию радиации.
Абдоминальная диагностика: Исследование печени, желчного пузыря, почек, поджелудочной железы, селезёнки. Диагностика камней, кист, опухолей.
Маммология: Дифференциация плотных и кистозных образований молочной железы, скрининг у женщин с плотной тканью.
Урология: Оценка состояния мочевого пузыря, предстательной железы, почек. Контроль остаточной мочи.
Допплерография сосудов: Диагностика стенозов, тромбозов, аневризм, атеросклеротических изменений.
Межвенозная и интервенционная ультразвуковая навигация: Контроль за биопсиями, дренированием, катетеризацией сосудов.
Современные направления развития ультразвуковой диагностики включают:
Благодаря постоянному совершенствованию технологий ультразвук остаётся одним из самых универсальных, безопасных и доступных методов медицинской диагностики.