ГЛАВА 8. Эхо-импульсные методы визуализации и измерений
К. Хилл
8.1. введение
Методы ультразвуковой эхо-импульсной визуализации уже нашли широкое и разнообразное применение в медицине, хотя заложенные в их основу научные принципы еще не до конца поняты. Быстро развивается и связанная с этими методами технология. Цель главы — оценить существующий уровень знания принципов эхо-импульсной визуализации; в основном для иллюстрации будут описаны также некоторые конкретные применения.
Существующие эхо-импульсные системы насчитывают много видов. Можно представить (довольно условно), что все они состоят из шести основных взаимосвязанных частей (рис. 8.1). Зондирование объекта (мишени) осуществляется через контактную среду (например, водяной буфер или тонкий слой геля).
Основным элементом любой системы визуализации является электроакустический преобразователь, который служит для излучения зондирующего акустического импульса в объект и для приема акустических эхо-сигналов, переизлучаемых мишенью. Преобразователь может представлять собой пластинку из пьезоэлектрического материала или (все чаще) одно- или двумерную решетку (матрицу) пьезоэлементов. Разделение функций приема и передачи между преобразователями обладает рядом преимуществ, в том числе связанных с отношением сигнал/шум, и применяется все чаще, особенно в многоэлементных решетках. Обсуждение работы преобразователей и их пространственно-временных характеристик приведено в гл. 2. Полезное введение в конструирование и свойства различных видов многоэлементных преобразователей дано Фогелем с соавт. [28].
Для большинства применений эхолокации необходимо знать точное расположение преобразователя и/или ориентацию оси пучка в пространстве. При этом в такой системе отсчета можно правильно определить положение обнаруженных целей. На практике сканирование (движение оси пучка через обследуемый объем) можно выполнить одним из трех способов: путем перемещения всего
Рис. 8.1. Блок-схема, показывающая взаимосвязь между основными узлами эхо-импульсных диагностических систем.
преобразователя с фиксированным направлением пучка вручную или с использованием механического привода, а также путем движения пучка относительно неподвижного преобразователя (решетки), что достигается с помощью электронного управления. Все три способа требуют наличия механического или электронного растра, чтобы ограничить движение пучка определенной областью и одновременно получить электрические сигналы, определяющие положение пучка.
Роль передающего тракта понятна: она состоит в ударном возбуждении преобразователя — обычно скачком напряжения с достаточно крутым фронтом, чтобы большая часть энергии попадала в полосу резонансных частот преобразователя. Один из факторов, определяющих отношение сигнал/шум, — амплитуда возбуждающего импульса напряжения, но она ограничена практическим
требованием не допустить чрезмерных нелинейных эффектов при распространении акустических импульсов в среде, а также электрического пробоя или нелинейного режима в работе преобразователя и требованием ограничения уровня акустической энергии, излучаемой в тело пациента. На практике обычно используются электрические импульсы возбуждения с амплитудой порядка 100 В.
Приемник представляет собой своего рода систему сопряжения между преобразователем и дисплеем или системой записи, которые применяются для передачи наблюдателю информации, полученной с помощью ультразвука. В хороших системах эхо-сигналы на выходе преобразователя имеют большой динамический диапазон. Так, сигналы от сильно отражающей плоской поверхности (например, границы вода/стекло), если они не ослаблены, превышают уровень шума более чем на 
Затухание эхо-сигналов указанной силы, принятых от мишени, будет приблизительно пропорциональным длине пути распространения в вышележащих тканях. Это затухание можно приближенно скорректировать с помощью временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ). Но даже остающийся после ВАРУ динамический диапазон (обычно около 
все еще слишком велик для большей части систем отображения и регистрации, поэтому необходимо его дальнейшее сжатие.
Процесс передачи к оператору множества изображений и другой информации, извлекаемой из амплитуды и фазы высокочастотного сигнала, часто может ограничивать предельно возможную полезность этой информации. Реальные средства отображения информации, а также восприятие наблюдателя, как правило, чувствительны только к амплитуде и для их функционирования требуется применять выпрямленную видеоверсию исходного сигнала, из которого удалена информация о фазе. (Некоторые частные характеристики систем отображения будут обсуждаться ниже.)
Устройством отображения, почти повсеместно применяемым для ультразвуковой эхо-импульсной визуализации, служит электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Поэтому состояние разработок и характеристики систем визуализации сильно зависят от характеристик ЭЛТ (полосы частот, размера светящейся точки на экране, динамического диапазона). В настоящее время общепринятыми являются два основных режима отображения — непосредственное отображение видеосигнала с выхода приемного тракта и отображение сигнала с промежуточного запоминающего устройства (преобразователя развертки или кадрового запоминающего устройства). Из-за практического удобства последний режим применяется все чаще, так как
он позволяет хранить и анализировать изображения, не прибегая к непрерывной регистрации (фотографированию и т. п.), а также позволяет делать выбор процедуры обработки или анализа данных, соответствующих изображению или какой-то его части. Важным достоинством режима промежуточного запоминания является то, что он обеспечивает сопряжение параметров сканирования, обусловленных особенностями ультразвука и анатомического строения человека, и стандартных телевизионных устройств, что выгодно с точки зрения стоимости и доступности техники.
Из-за широкого распространения режима промежуточного запоминания, быстрого развития киноэхографии — метода эхографии в реальном времени, а также из-за удорожания серебросодержащих фотографических материалов диагностические оценки все чаще проводятся по изображению на экране ЭЛТ, а не по записи (твердой копии), полученной с помощью регистратора. Тем не менее обычно требуется иметь некоторое количество выбранных изображений в виде постоянной записи, и в этой связи важными оказываются известные свойства процессов фотографической регистрации [12, 22]. Во многих отношениях в качестве регистратора видеомагнитофон значительно лучше фотокамеры приспособлен к современным средствам отображения.
В любой ультразвуковой видеосистеме основная проблема — это управление различными процессами и их координация. Частично эту работу может выполнить оператор (например, при ручном сканировании), но многочисленные задачи синхронизации и вычисления координат изображения должна решать ЭВМ.
