Войти в почту

Как это работает. УЗИ-сканер

Как это работает. УЗИ-сканер
© Ростех

Сегодня ультразвуковые исследования являются одним из самых популярных методов медицинской диагностики. УЗИ-сканеры прочно обосновались в каждой современной клинике, диагностическом кабинете и даже реанимобиле. Ультразвуковая диагностика продолжает активно развиваться – на смену обычной двухмерной картинке приходят новые технологии. Многие из них представлены в УЗИ-сканерах экспертного класса производства . Но какими бы ни были УЗИ-аппараты, все они работают по одному принципу, который мы и рассмотрим в этом материале.

Беззвучный звук

Ультразвук – это такие звуковые колебания, которые благодаря своей высокой частоте не воспринимаются человеческим ухом. Издавать ультразвук могут как природные, так и техногенные источники. Высокочастотными звуками пользуются некоторые животные для общения и ориентации в пространстве. Например, летучим мышам ультразвук помогает избегать препятствия в полете и ловить насекомых. А ученые, инженеры и медики применяют звуки высокой частоты для исследования различных физических сред.

Как и у многих изобретений, у медицинского применения ультразвука нет одного «родителя». Его появлению предшествовал ряд открытий. Так, непосредственно само явление ультразвука впервые исследовал в конце XVIII века итальянский ученый Ладзаро Спалланцани. Ставя опыты над летучими мышами, он заметил, что с закрытыми ушами мыши теряют способность к ориентации. Итальянец предположил, что эти животные издают и воспринимают особые звуки.

Эхолокация у летучих мышей. Изображение: wikimedia.org

Следующим важным шагом к появлению УЗИ-аппаратов стали исследования , французского физика, будущего мужа знаменитой Марии Склодовской-Кюри. В 1880 году вместе со старшим братом они открывают пьезоэлектрический эффект, благодаря которому в деформируемых кристаллах возникает электричество. На основе этого эффекта работают современные преобразователи ультразвука.

В XX столетии начинается медицинское применение ультразвука. Сначала его рассматривали как метод терапии и применяли для лечения артритов, язвенной болезни желудка, астмы. Затем, в 1940-е годы, австрийский невролог Карл Фредерик Дьюссик впервые использовал ультразвук для исследования головного мозга. Наблюдая за прохождением звуковой волны сквозь череп пациента, он сделал вывод о наличии опухоли мозга, которая, впрочем, не подтвердилась. Примерно в это же время англичанин Джон Уайлд с помощью УЗИ определяет толщину кишечника.

Нужно сказать, что первые УЗИ-устройства сильно отличались от тех, что мы привыкли видеть сегодня в клиниках. В одних случаях пациентов помещали в ванны с водой, в других – заставляли подолгу сидеть на одном месте, пока вокруг них вращались датчики и фотоустройства. УЗИ-техника, работающая подобно современным сканерам в реальном времени, появилась только в 1960-е годы, но и она была очень громоздкая.

В 1967 году в начинается лицензирование деятельности УЗИ-диагностов, появляются первые стандарты. Наиболее быстро УЗИ распространяется в гинекологии: уже в первые годы применения новая технология позволила почти полностью отказаться от небезопасной для беременных рентгенографии.

Принцип работы ультразвукового сканера

Давайте разберемся, как же работают современные медицинские УЗИ-сканеры. Основным элементом любого подобного устройства является ультразвуковой датчик. Он генерирует и воспринимает ультразвук, работая на том самом принципе пьезоэлектрического эффекта, открытого братьями Кюри.

Чаще всего в составе датчика используются кристаллы пьезоэлектрических элементов, природа которых позволяет им под воздействием электричества генерировать ультразвук. «Работают» кристаллы и в обратную сторону – получив отраженный ультразвук на входе, они преобразуют его в электрический сигнал, который формирует на дисплее УЗИ-аппарата картинку.

Схема работы УЗ-датчика. Изображение: wikimedia.org

Здесь стоит отметить, что если результатом современного УЗИ является двухмерное или даже трехмерное изображение, то первые аппараты работали, можно сказать, в одномерной системе координат. Вместо картинки того или иного органа медики видели график прохождения звука в ткани на определенную глубину, похожий на график осциллографа. Измеряя интенсивность звука, можно было оценить состояние тканей пациента на разной глубине. Сегодня этот метод, который называется А-режимом (от amplitude), используется в офтальмологии.

Со временем датчики совершенствовались. В 1970-е годы к УЗИ-датчикам стал добавляться электродвигатель, который позволял поворачивать устройство и получать двухмерное изображение. Затем появились так называемые фазированные датчики, содержащие множество элементов, с помощью которых получалось более качественное изображение. А на рубеже 1990-2000-х годов результаты УЗИ стали трехмерными. Сегодня скорость и качество работы УЗИ-сканеров позволяют получать даже движущееся изображение.

4D-эхокардиограмма. Автор: Kjetil Lenes, wikimedia.org

Каким именно же образом ультразвук помогает нам увидеть то, что скрыто от человеческого глаза? Дело в том, что газы, жидкости и твердые тела по-разному реагируют на звуковую волну. Кости, ткани и жидкости нашего тела могут пропускать, отражать, поглощать или рассеивать ультразвук. Датчик попеременно отправляет в тело звуковые импульсы и получает отраженные. Полученные данные обрабатываются процессором, который, зная скорость ультразвука и время движения волны, определяет расстояние до объекта и формирует его модель. Все это происходит за миллионные доли секунды.

Чаще всего результат УЗИ на экране отображается в черно-белом формате, так как наш глаз более четко различает именно эти цвета. Костные ткани лучше других отражают звук и отображаются белым цветом. Жидкости и пустоты визуализируются черным цветом, а мягкие ткани – градациями серого. Для некоторых исследований применяются цветные режимы.

Кроме самих датчиков в состав УЗИ-сканера входят специальные линзы, источник напряжения, компьютер с дисплеем, клавиатурой и принтером. Для улучшения звукопроводимости и более комфортного контакта с кожей применяется гель. Элементы управления датчиком и широкие возможности настройки современных УЗИ-аппаратов позволяют медикам применять разнообразные режимы, подходящие для того или иного исследования, а высокий уровень автоматизации облегчает их работу.

УЗИ по-русски

Первые отечественные опыты по медицинскому применению ультразвука проводились еще в 1950-е годы. В 1960-х были разработаны оригинальные устройства, но, к сожалению, они не стали массовыми и отправились на полку. Постепенное внедрение УЗИ-диагностики началось только в 1980-х годах, в основном использовались аппараты японского производства. До недавнего времени практически все российские клиники использовали зарубежную УЗИ-технику, лидером в создании которой сегодня являются Ки Южная Корея. К 2018 году российское здравоохранение ежегодно закупало за границей порядка 3000 сканеров.

В последние несколько лет рориняло ряд мер, стимулирующих отечественное производство аппаратуры для ультразвуковых исследований. С 2018 года Ростех в рамках программы импортозамещения серийно выпускает российские УЗИ-сканеры «РуСкан» на мощностях завода «Калугаприбор», входящего в концерн «Автоматика». Работа ведется совместно с технологическим партнером НПО «Сканер».

Предприятие Госкорпорации производит УЗИ-сканеры среднего («РуСкан 50»), высокого («РуСкан 60») и экспертного («РуСкан 65/65М») классов, а также портативную модель «РуСкан70П», которая может применяться на медицинском транспорте и спортивных объектах.

УЗИ-сканеры Ростеха положительно зарекомендовали себя в российских медучреждениях. Отзываясь об устройствах «РуСкан», медики отмечают качественную визуализацию, удобство использования и эргономичный дизайн. Среди преимуществ разработки Ростеха – профессиональный русскоязычный интерфейс и интеграция в программную оболочку сканеров результатов отечественных популяционно-статистических исследований. Эти данные помогут российским медикам принимать решения на основе не только своего опыта, но и знаний всей отрасли. Примечательно, что аппараты «РуСкан» стали первыми отечественными сканерами экспертного класса с российским программным обеспечением.

В 2021 году Госкорпорация планирует поставить в медучреждения страны более 1000 сканеров. Всего же мощности Ростеха позволяют выпускать до 2000 изделий в год.