Ультразвуковая ангиология - часть 11

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

Таблица 3.4. Коэффициенты отражения на границах различных тканей 

Рис. 3.8. Варианты падения ультразвука на границу разде-

ла сред. 

А. Падение под прямым углом (угол падения, отражения и 

преломления равны). Б. Падение под острымуглом. α-угол 

падения; β - угол отражения; θ - угол преломления. 

Отношение части энергии (интенсивности), отра-

женной от границы раздела сред, к энергии (интенсив-

ности) падающего ультразвукового потока называется 
коэффициентом отражения, аналогичное соотношение 

для части энергии, прошедшей через границу,- коэф-
фициентом преломления. Из уравнения 3.10 следует, 
что сумма их равна 1,0 (при измерении в долях), или 

100% (при процентном измерении): 

фициент преломления. 

Коэффициент отражения может быть вычислен 

также через переменные акустических импедансов 
тканей: 

Из уравнения 3.12 следует, что если акустичес-

кие импедансы сред равны, ультразвуковая волна 
полностью, без отражения проходит из одной среды 
в другую, кроме того, чем больше разница акустичес-
ких характеристик сред, тем больше будет отраже-
ние на границе их раздела (табл. 3.4) [4, 17]. 

Рассеяние - мультиполярные изменения направ-

ления распространения ультразвуковых волн, обус-
ловленные внутренней неоднородностью среды и яв-
ляющиеся результатом многочисленных отражений и 

преломлений. Заметим, что возникновение значимо-
го рассеяния ультразвука происходит в случаях, ког-
да длина волны становится сопоставимой с размера-
ми неровностей (отражателей), или при выраженной 
акустической неоднородности среды (рис. 3.9). В лю-

бом случае при рассеянии имеется компонент ульт-
развуковых волн, направленный в сторону излуча-

теля, который отражает обратное рассеяние [4, 7]. 
Следует также заметить, что при формировании раз-

Отражающая граница 

Коэффициент 

отражения, 

% 

Мышцы/стекловидное тело 

0,1 

Хрусталик/стекловидное тело 

1,0 

Жир/мышцы 

1,1 

Мягкие ткани/вода 

0,2 

Жир/почка 

0,6 

Кость/мышцы 

41 

Кость/жир 

49 

Мягкие ткани/пьезокристалл 

80 

Мягкие ткани/воздух 

99,9 

нонаправленных ультразвуковых волн вследствие рас-

сеяния, отражения и преломления имеют место эф-
фекты интерференции (сложения механических коле-
баний) и дифракции (огибания волнами препятствий, 
или отклонения от прямолинейного распространения) 

ультразвука. В связи с этим возникают существенные 

помехи отображения и определения реально суще-
ствующих объектов [19-24]. 

Под поглощением понимают переход энергии 

ультразвукового потока в другие виды энергии, преж-
де всего тепловую. Поглощение энергии тем боль-
ше, чем выше вязкость среды. 

Генерация ультразвуковых колебаний связана 

с пьезоэлектрическим эффектом, который возни-
кает при подаче электрического импульса на пье-
зокристалл. Различают прямой и обратный пьезо-
эффект. Первый заключается в возникновении 
электрического потенциала на гранях кристалла 
при их смещении вследствие воздействия внешних 
(механических) сил. Таким образом, прямой пье-
зоэффект делает возможным восприятие прибо-

ром отраженного эхосигнала, т. е. механического 

ультразвукового колебания, возникшего в резуль-
тате отражения от границы раздела сред падающей 
волны. Обратный пьезоэффект заключается в сме-
щении граней пьезокристалла в ответ на воздей-
ствие электрического напряжения. При подаче на 

грани кристалла переменного напряжения высокой 
частоты происходит высокочастотное последова-

тельное его сжатие и расширение, что и служит 

причиной создания вокруг него высокочастотного 
изменения давления, приводящего к возникнове-
нию направленных механических колебаний, т. е. 

ультразвука (рис. 3.10). Устройство, в котором про-

Рис. 3.9. Рассеяние ультразвука в ткани. 

48 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

исходит генерация ультразвуко-
вых колебаний и детекция отра-

женного эхосигнала, называется 
ультразвуковым датчиком. В со-

временных приборах используют-
ся электронные многоэлемент-
ные датчики [25]. 

Эффект Допплера 

Допплеровский спектр 

Цветовое кодирование 

Эффект Допплера (открытый 

Кристианом Допплером в 1842 г. 

для света) заключается в измене-

нии частоты ультразвукового сиг-
нала при отражении от движущих-
ся предметов по сравнению с пер-
воначальной частотой посланного 
сигнала (допплеровский сдвиг ча-
стот) (рис. 3.11). Если принять, что 
генератор ультразвуковых волн и 
их детектор (датчик) неподвижны 
(а именно так и происходит при ультразвуковых ис-
следованиях), то частота отраженной движущимся 
объектом ультразвуковой волны увеличивается при 
приближении отражателя к датчику и уменьшается 
при отдалении от него (рис. 3.12). Допплеровский 
сдвиг частот (Δf) зависит от скорости движения (ν) 
отражателя (элементов крови, прежде всего эритро-
цитов), угла между вектором скорости отражателя и 
вектором ультразвукового луча (

a), скорости распро-

странения звука в среде (с) и первичной частоты из-

лучения (f

0

.). Данная зависимость описывается 

допплеровским уравнением [26-34]. 

Из этого уравнения следует, что скорость дви-

жения отражателя прямо пропорциональна произве-
дению величины допплеровского сдвига частот и ско-

рости распространения ультразвука в среде и обрат-
но пропорциональна двойному произведению исход-
ной частоты излучения и косинуса угла α: 

Нужно отметить, что прибор регистрирует толь-

ко допплеровский сдвиг частот (в кГц), значения же 
скорости вычисляются по допплеровскому уравнению 
3.13, при этом скорость распространения звука в сре-

де принимается как постоянная и равная 1540 м/с, а 

исходная частота излучения соответствует средней 
частоте датчика [27, 33]. 

Приборную обработку отраженного эхосигнала 

и выделение собственно допплеровского сдвига ча-
стот проводят следующим образом (рис. 3.13). Пе-
реданный и принятый (отраженный) сигналы склады-
ваются, при этом происходит процесс так называе-
мой модуляции (по частоте и амплитуде, так как час-
тоты и амплитуды складываемых колебаний в каждый 
момент времени отличны). В результате модуляции 
возникает новая по амплитудам и частотам волна. 

Рис. 3.10. Пьезоэлектрический эффект. 

А. Прямой. Б. Обратный (различные изменения кристалла в ответ на предъявле-

ние разнополярного электрического напряжения). 

Рис.  3 . 1 1 . Эффект Допплера. 

f

0

 - частота излучаемого ультразвукового сигнала; f

1

 - час-

тота отраженного ультразвукового сигнала; V - скорость 
движения частиц в просвете сосуда; α - угол между векто-

ром скорости потока крови и направлением распростране-
ния ультразвукового луча. 

Рис. 3.12. Изменение частоты отраженного сигнала в за-
висимости от направления движения отражателя. 

А. Движение «к датчику» (частота увеличивается, f

1

 = f

0

 + Δf). 

Б. Движение «от датчика» (частота уменьшается f

1

 = f

0

 - Δf). 

f

0

 - исходная частота ультразвукового излучения; f

1

 - частота 

отраженного эхосигнала; Δf - допплеровский сдвиг частот. 

49 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

Рис. 3.13. Принципы выделения допплеровского сигнала. 

Следующим этапом является обратный процесс -
демодуляции, т. е. разложения, в результате чего и 

выделяется собственно допплеровский сигнал, пред-
ставляющий собой колебания, состоящие издоппле-

Рис. 3.14. Зависимость ошибки измерения скорости от ве-

личины допплеровского угла. 
А. Ошибка измерения скорости при различных положениях 
датчика. Б. Величина ошибки измерения скорости от вели-
чины допплеровского угла. 

ровских сдвигов частот в каждый момент времени. 

Допплеровский сигнал подвергается в дальнейшем 
компьютерному анализу [35-37]. 

Величина вычисляемой скорости движения от-

ражателя является уголзависимой (что следует из 

допплеровского уравнения). При величине доппле-

ровского угла от 0° до 60° ошибка измерения скорос-

ти невелика, при углах более 60° она резко возраста-
ет (рис. 3.14). Из сказанного становится ясным, что 

измеренная величина скорости близка к истинной 

только при коррекции допплеровского угла. 

Основным способом отображения допплеровс-

кого сигнала (весьма разнородного по амплитудно-
му и частотному составу) является допплеровский 
спектр, получаемый как результат выделения интен-
сивности колебаний в зависимости от их частоты 
посредством быстрого преобразования Фурье 
(рис. 3.15). Упрощенно процесс выглядит как быстрый 
«подсчет колебаний» с различными частотами в каж-

дый момент времени, что в дальнейшем служит осно-

вой для превращения отдельных фрагментов получа-
емой кривой в светящиеся с различной интенсивнос-

тью (или окрашенные разными цветами) точки на эк-

ране, при временной развертке формирующие доп-
плеровский спектр (рис. 3.16). Таким образом, интен-
сивность (яркость) свечения точек в спектре соответ-
ствует «количеству» частиц (или, точнее, их групп, яв-

ляющихся элементарными отражателями), движущих-
ся с определенной скоростью (или дающих опреде-
ленный допплеровский сдвиг частоты) [9, 17, 38, 39]. 
То же относится к окрашиванию светящихся точек 
дисплея (пикселей) (рис. 3.17). Следует отметить, что 

процесс спектрального анализа более сложен, неже-

ли его схема, приведенная выше. Прежде всего это 
связано с тем, что как излучаемый, так и принимае-

мый импульсы имеют довольно сложную конфигура-
цию и в самом простом случае (рис. 3.18, А) в ней вы-

деляется центральный фрагмент (или основной ле-
песток) и боковые фрагменты (боковые лепестки). 

При этом совершенно необязательно (рис. 3.18, Б), 
чтобы импульс был симметричным относительно не-
кой центральной оси. Получение информации в лю-
бом случае сопряжено с анализом основного лепес-

тка (его амплитуды, а в некоторых случаях и фазы), 

боковые же как правило «отсекаются». 

Огибающая допплеровского спектра называет-

ся допплеровской кривой (рис. 3.19). Некоторые при-
боры, используемые для допплерографических ис-
следований, регистрируют только допплеровскую 
кривую, в абсолютном же большинстве систем воз-

Рис. 3.15. Преобразование допплеровского сигнала 
(объяснение в тексте). 

50 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

можно получение допплеровско-
го спектра и допплеровской кри-
вой - вместе или раздельно [31]. 

По типу излучаемого сигнала 

различают два принципиально 
различающихся допплеровских 
режима - постоянно-волновой 
(continuous wave, CW) и импульс-
ный (pulse wave, PW) [8, 32, 35]. 

В режиме постоянно-волно-

вого сканирования излучателем и 
приемником (детектором) ульт-
развуковых колебаний являются 

два различных пьезокристалла 

(рис. 3.20), один из которых не-
прерывно передает ультразвуко-
вые колебания, второй детектиру-
ет отраженные эхосигналы. В свя-
зи с непрерывностью излучения и 
восприятия допплеровского сиг-
нала для данного режима не суще-
ствует ограничений по величине 
скорости отражателя, которая мо-

жет быть зафиксирована. Данное 

обстоятельство делает режим 
весьма ценным при исследовании 
высокоскоростных потоков в обла-
сти стенозов артерий,артериове-
нозных шунтов, а также в полостях 
сердца. Однако режим имеет и су-
щественный недостаток, заключа-
ющийся в отсутствии дифферен-
цировки сигнала по глубине скани-
рования. Иными словами, сколько 
бы сосудов (или других объектов, 
являющихся отражателями ульт-

Рис. 3.16. Формирование допплеровского спектра (объяснение в тексте). 

А. Механизм получения мгновенного спектра. Б. Основы формирования доппле-

ровского спектра во времени. 

51