Артефакты акустическо­го изображения

Артефактами акустического изоб­ражения называются наблюдаемые на экране прибора ложные объекты, аномалии и искажения, получаемые при УЗ -исследовании. Артефакты можно разделить на две основные группы: аппаратурные артефакты, возникающие вследствие техничес­ких причин, в том числе из-за несо­вершенства прибора, и артефакты, связанные с физическими процесса­ми прохождения ультразвука в биоло­гических тканях.

Артефакты, порождаемые физиче­скими причинами, не обязательно вредны, иногда они несут дополнительную полезную информацию.

5.2.1. Аппаратурные артефакты

Помехи и наводки. Помехи обычно вызываются электрическими приборами и оборудованием, работаю­щими в непосредственнойблизости от УЗ -прибора. Они имеют вид перио­дических или случайных быстро меня­ющихся светлых полос и ярких точек на экране прибора, мешающих вос­принимать акустическое изображе­ние. Иногда помехи возникают в са­мом приборе, что свидетельствует о его неисправности.

Основные меры по защите от по­мех предусматриваются при разра­ботке

УЗ - приборов. Специальные ме­ры должны приниматься и при экс­плуатации приборов. Прежде всего, должно быть сделано хорошее зазем­ление корпуса прибора и, кроме того, исключена установка рядом с ним ис­точников электромагнитных излуче­ний. При невозможности защитить УЗ - прибор от источников помех просты­ми способами, может потребоваться такая дорогостоящая мера, как спе­циальное экранирование помещения, в котором находится прибор.

Мертвая зона. Причиной мерт­вой зоны являются особенности кон­струкции датчика и наличие переот­ражений УЗ - сигнала в отдельныхего элементах, например в просветляю­щих слоях (в датчиках электронного сканирования) или в жидкости, запол­няющей корпус (в датчиках механиче­ского сканирования). Мертвая зона в большей или меньшей степени имеет место при работе практически с лю­быми датчиками, хотя для датчиков электронного сканирования она су­щественно меньше. Артефакт, похо­жий на мертвую зону, может быть вы­зван сильными переотражениями от слоистых структур тела, расположен­ных в непосредственной близости от поверхности датчика.

Боковые лепестки. Акустическое изображение строится на основе эхо-сигналов, принимаемых УЗ - лучом в каждом из его положений, меняющих­ся в процессе сканирования. Алго­ритм построения изображения пред­полагает отсутствие эхо-сигналов в любых других направлениях, кроме области, занятой лучом в каждом его новом положении.

В действительности эхо-сигналы могут приниматься не только в узкой области УЗ - луча, называемой основ­ным лепестком, но и в других направ­лениях, которые принято называть боковыми лепестками. В силу относи­тельно низкого энергетического уровня боковых лепестков по сравне­нию с основным принятые ими эхо-сигналы, отраженные структурами, находящимися вне основного лепест­ка, как правило, малы и в целом не сказываются на изображении. Одна­ко, если в направлении бокового ле­пестка находится хорошо отражаю­щая поверхность, эхо-сигналы от нее могут быть большой амплитуды и вос­приниматься как полезные сигналы. Наибольший относительный уро­вень имеют боковые лепестки, ближ­ние к основному, поэтому ложные изображения находятся обычно вбли­зи от истинного изображения отража­ющих структур и на той же глубине.

Основной способ выявления и уст­ранения артефактов боковых лепест­ков - смещение положения датчика или некоторое изменение ракурса на­блюдения. При этом ложные изобра­жения как бы сдвигаются или ослаб­ляются относительно более стабиль­ного реального изображения.

В приборах высокого класса арте­факты боковых лепестков, как прави­ло, не наблюдаются, поскольку в та­ких приборах применяется так назы­ваемая аподизация, снижающая уро­вень боковых лепестков.

Артефакт, аналогичный артефакту боковых лепестков, возникает вслед­ствие того, что в процессе сканирова­ния излучают и принимают ультразву­ковые сигналы не только элементы электронного датчика, которые в дан­ное время формируют ультразвуко­вой луч, но и другие элементы датчи­ка. В случае сильных отражателей на фоне среды с малой эхогенностью это может приводить к появлению на изображении боковых «усов» возле яркой истинной отметки от отражате­ля. Борьба с этим артефак­том возможна с помощью снижения усиления или изменения ориентации датчика, однако в ряде случаев изба­виться от этого артефакта трудно.

Артефакты, связанные с шири­ной ультразвукового луча. Попе­речный (латеральный) размер эле­мента изображения определяется ши­риной основного лепестка ультразву­кового луча. Чем тоньше основной луч, тем меньше элемент изображе­ния и, стало быть, лучше качество изо­бражении. Наименьшая ширина луча - в зоне фокусировки. За пределами этой зоны луч становится шире, особенно на больших глубинах. В области за пределами зо­ны фокусировки труднее оценить ис­тинные размеры отражающих структур, особенно ширину стенок, так как помимо увеличения их ширины по сравнению с реальной иногда возникает ошибочное представление о на­личии в исследуемомобразовании дополнительных пристеночных включений. Сказанное относится не только к ширине луча в плоскости ска­нирования, но и к его толщине, т.е. к размеру в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования. Арте­факты, связанные с шириной и толщиной луча, могут усиливаться за счет влияния боковых лепестков. Артефакты, связанные с шириной луча и недостаточно хорошей фокусировкой, в основном могут иметь мес­то в простых и недорогих приборах.

Решетка на изображении. Ре­шетка на изображении может возни­кать при недостаточно хорошей рабо­те системы формирования луча (чаще в простых приборах) и имеет вид час­той сетки, располагаемой вдоль осей УЗ - лучей. Решетка остается непо­движной на изображении в процессе перемещения датчика по телу и изме­нения вида изображения.

При конвексном и секторном ска­нированиина краях изображения слева и справа, особенно на больших глубинах, в некоторых приборах можно наблюдать изрезанность отдельных ярких элементов изображения. Это происходит вслед­ствие работы сканконвертера и сис­темы интерполяции. При изменении положения датчикатаким образом, чтобы указанные элементы наблюда­лись ближе к центральной оси секто­ра изображения, изрезанность эле­ментов пропадает.

5.2.2. Артефакты, вызванные физическими причинами

Искажение формы. Артефакты искажения формы возникают из-за того, что скорость звука в различных тканях может изменяться в определенных пределах, в то время как при форми­ровании акустического изображения в приборе она принимается фиксиро­ванной (обычно - 1540 м/с). В мягких тканях отклонение реальной скорости от принятой может достигать 10%, по­этому на такую же относительную ве­личину наблюдаемые на экране раз­меры могут отличаться от истинных.

Структуры с малой плотностью, например содержащие жидкость (скорость звука в них меньше приня­той) имеют на экране размеры боль­ше реальных, а структуры с большей плотностью (скорость звука больше принятой) имеют на экране размеры меньше реальных.

Устранить влияние артефакта ис­кажения формы практически невоз­можно, так как нет способа определе­ния и учета истинной скорости рас­пространения ультразвука в тканях в процессе практических наблюдений.

При наблюдении через жидкост­ную структуру (например кисту) может появляться артефакт искажения формы структур, расположенных на большей глубине (рис. 5.6).

Образование теней (shadowing). Эти артефакты появляются в случае сильных отражений на границе сред со значительно отличающимися акустическими свойствами, например на границах «мягкие ткани – воздух», «мягкие ткани - камни (в почках, печени)» и т.д.

Вследствие того, что большая часть энергии УЗ - импульса, излучае­мого датчиком, на таких границах от­ражается, только меньшая часть энергии может пройти далее вглубь. и поэтому очень мал уровень эхо-сиг­налов, порождаемых неоднородностями тканей, находящихся дальше указанных границ. На экране прибора при этом наблюдаются тени.

Наиболее распространенный пример артефактов, связанных с образованием теней,- темные полосы, на­блюдаемые за конкрементами в желчном пузы-

ре и почках. Эти полосы могут служить дополнительным диа­гностическим признаком наличия камней в мягких тканях. Следует иметь в виду что тень за конкрементом наблюдается только в случае, ес­ли его ширина больше ширины УЗ - лу­ча на глубине нахождения конкремента. Если ширина конкремента меньше (например не более 2-3 мм), то тени практически не видно.

Рис. 5.6. Артефакт изменения формы при наблюдении объекта,

расположенного за жидкостным образованием

В случае границы мягкиеткани - воздух, например при наблюде­нии легких или кишечника с газовыми образованиями, тень за этой грани­цей настолько сильна, что в ее облас­ти невозможно получать информа­цию. За пределами границы мягкие ткани - кость наблюдение тоже за­труднено, но в ряде случае возможно.

Области акустического псевдоусиления (flaring, или acoustic enhanctment). Этот артефакт в некотором смысле противоречит описанному выше. Он имеет место в тех случаях, когда наблюдение проис­ходит через содержащие жидкость структуры с очень малым затуханием ультразвука. Области, расположен­ные непосредственно за содержащи­ми жидкость зонами, видны на экране прибора более ярко, так как уровень соответствующих им эхо-сигналов выше уровня эхо-сигналов от сосед­них областей, расположенных на тех же глубинах. Импульсы, излучаемые датчиком, приходят в соседние обла­сти более ослабленными вследствие большого поглощения и рассеяния, поэтому и порождаемые ими эхо-сиг­налы относительно ниже.

В гинекологии и акушерстве широ­ко используется метод УЗ - исследова­ния через наполненный мочевой пу­зырь. При этом возникающий эффект акустического псевдоусиления сле­дует учитывать при наблюдении структур, расположенных глубже мо­чевого пузыря. В подобных ситуациях необходимо использовать регулиров­ку усиления по глубине, с помощью которой вводят дополнительное ос­лабление эхо-сигналов в зоне псевдоусиления. В этом случае структуры, наблюдаемые в зоне псевдоусиле­ния, будут отображаться с необходи­мым уровнем яркости.

Реверберация (reverberation). Реверберация (многократные пере­отражения) возникает в случае, ког­да наблюдаются сильно отражаю­щие границы сред, расположенные перпендикулярно оси УЗ - луча (т.е. параллельно рабочей поверхности датчика). Эхо-сигналы, отраженные границей, достигая поверхности датчика, частично отражаются от нее и, направляясь обратно, вторич­но отражаются от границы. Врезуль­тате на экране можно наблюдать еще одно, несколько ослабленное по сравнению с первым, изображе­ние границы, причем на глубине, вдвое большей глубины расположения истинного отражения.

Другой пример реверберации - яв­ления переотражения, возникающие при наблюдении объектов с высокой эхогенностью. В этом слу­чае иногда можно видеть второе, лож­ное (ослабленное), изображение объ­екта на расстоянии, равном удвоенно­му расстоянию объекта от датчика.

В ряде случаев, когда сильно отра­жающий объект находится близко к датчику, возможно получение и после­дующих (третьего, четвертого и т.д.) ложных изображений.

Одним из способов устранения ре­верберации от плоских границ являет­ся наклон датчика, изменяющий угол между осью УЗ - луча и границей, чтобы он отличался от 90°. Если в линейном датчике электронного сканирования есть возможность изменять направле­ние параллельных лучей (steering), то можно избавиться от реверберации, не изменяя положение датчика.

В тех случаях, когда устранить ложные изображения с помощью измене­ния положения датчика невозможно, можно определить, где находятся лож­ные изображения, сравнивая между со­бой картины, получаемые при различ­ных положениях датчика. Изображения реальных структур при этом сохраняют взаимную ориентацию и форму, лож­ные же изображения перемещаются относительно истинной картины.

Зеркальное изображение (mir­ror image). Этот артефакт имеет происхождение, обусловленное те­ми же физическими причинами, что и реверберация. Если имеется грани­ца тканей, существенно отличаю­щихся между собой по акустическим характеристикам, то она порождает значительный эхо-сигнал, особенно сильный, когда граница практически плоская и ориентирована перпенди­кулярно оси УЗ - луча. В этом случае, если на пути к этой границе находится объект, тоже хо­рошо отражающий ультразвук, например сосуд, то можнов результате переотражения получить дополни­тельное ложное изображение этого объекта, которое находится позади зеркальной границы. Эффект зер­кального изображения может по­явиться на таких структурах, как диа­фрагма или граница плевры.

Метод борьбы с зеркальным изоб­ражением тот же, что и при ревербера­ции - изменение угла наклона датчика (или УЗ - лучей) относительно границы. С помощью этого метода в процессе наблюдения можно исключить случаи появления на изображении ярких границ, параллельных рабочей поверх­ности датчика, - они могут порождать ложные зеркальные изображения.

В некоторых случаях и наклонная зеркальная граница может давать ложные изображения, иногда сопро­вождающиеся фокусирующим эф­фектом, если граница имеет вогнутую форму.

Рефракция и эффект линзы (refraction, fens effect), влияние различий в скорости ультразвука. Рефракция (преломление), т.е. искрив­ление УЗ - луча, возникающее вследствие неоднородности биологических тканей, приводит к искажениям акустического изображения. В случаях рефракции воз­можно геометрическое смещение на­блюдаемых структур относительно их истинного положения. На гра­нице сред, одна из которых имеет ско­рость распространения ультразвука С _1, отличную от скорости С ₂ в другой среде, происходит преломление УЗ - луча, т.е. он изменяет свое направление. При этом на экране прибора вместо реального по­ложения объекта, находящегося глубже границы сред, наблюдается смещенное его изображение.

Установить наличие смещения и в ряде случаев устранить этот эффект можно,изменяя положение или ракурс датчика. Желательно найти такое положение, при котором направление УЗ - луча будет почти перпендикулярно грани­церазнородных сред. При этом пре­ломление луча будет минимальным.

Рефракция (преломление) УЗ - луча при прохождении сред с различными скоростями ультразвука может в от­дельных случаях приводить кэффекту линзы. Как правило, этот эффект при­водит к ухудшению аппаратурной фо­кусировки УЗ - луча вследствие его расфокусировки или перефокусиров­ки. При расфокусировке уве­личивается ширина УЗ - луча и, следо­вательно, ухудшается поперечная разрешающая способность. В случае перефокусировки сначала может быть уменьшение ширины луча в зоне фокуса линзы F _л, а потом опять-таки увеличение ширины луча и ухудшение качества изображения.

В слоистых средах преломление и эффект линзы могут проявляться многократно,что наряду с дополнитель­ным рассеянием ультразвука приво­дит к существенному ухудшению качества изображения (встречается при наблюдении так называемых "трудных" для УЗ - диагностики пациентов).

Устранение влияния артефактов, вызванных рефракцией и эффектом линзы в биологических тканях, пока невозможно. Поэтому нужно отно­ситься с большой осторожностью к интерпретации эхографических изоб­ражений диффузных поражений внут­реннихорганов.

Ухудшение фокусировки луча вследствие различия скоростей рас­пространения ультразвука в биологи­ческих тканях имеет место не только вследствие эффекта линзы. По суще­ству это основная причина, определя­ющая физический предел поперечной разрешающей способности в биоло­гических тканях. Как известно, УЗ - луч формируется определенной частью элементов датчика, занимающих раз­мер D на рабочей поверхности датчи­ка (рис. 4.6). Различные элементы из­лучают УЗ - импульсы таким образом, чтобы они одновременно сходились в точке фокуса F. Это является обяза­тельным условием правильного фор­мирования УЗ - луча. Если импульсы, излученные элементами (например, 1-м и n -м, как показано на рис. 5.7), проходят среды с различными скоро­стями распространения ультразвука, то они могут прийти в точку фокуса со сдвигом во времени, т.е. не будут сфазированы. В результате суммар­ный сигнал S _Σ в точке фокуса может быть меньше каждого из суммируе­мых сигналов S ₁ и S_n. Это означает, что отсутствует правильная фокуси­ровка луча- луч при этом расширяет­ся или вообще, как говорят, «развали­вается».

Напомним, что чем больше размер D, тем тоньше может быть УЗ - луч, ес­ли он формируется в однородной среде, где нет различия скоростей ультразвука на различных путях рас­пространения.

Эффект относительного ухудше­ния качества фокусировки из-за неодно-­

родности сред тем сильнее, чем больше размер D, так как в большей зоне выше вероятность появления различий в скоростях распростране­ния ультразвука. Поэтому вначале увеличение апертуры D дает эффект улучшения поперечной разрешающей способности, но по достижении неко­торого размера D дальнейшее его увеличение может не сопровождаться уменьшением ширины УЗ - луча, т.е. наступает физический предел улуч­шения разрешающей способности.

Рис. 5.7. Ухудшение фокусировки УЗ - луча вследствие различных

скоростей ультразвука на разных путях движения импульса в

точке фокуса F

В принципе, существуют методы, позволяющие преодолеть указанные трудности, но сейчас они находятся в стадии исследования ввиду большой сложности их реализации.

Латеральные тени. Для образо­ваний, содержащих жидкость, харак­терны так называемые латеральные акустические тени, которые появля­ются на краях образований. Причина их возникновения - очень большая величина угла падения на боковые стенки образования и, стало быть, большой угол отражения, что приводит практически к невозможно­сти возврата эхо-сигналов oт этих стенокобратно к датчику и формирования изображения стенки. Более того, доля энергии излученного УЗ - сиг­нала, проходящая вглубь за боковыми стенками образования, резко снижа­ется из-за того, что от них происходит практически полное отражение излу­чаемого сигнала, который может да­лее многократно отражаться от сте­нок внутри образования. А раз мал уровень излученного сигнала в зоне за боковыми стенками, малы и ответ­ные эхо-сигналы от глубже располо­женных структур.

Методы борьбы с латеральными тенями отсутствуют, поэтому этот ар­тефакт надо иметь в виду и правильно интерпретировать, если он встреча­ется при исследованиях.

«Хвост кометы». Артефакт «хвост кометы» наблюдается в случае, когда в результате воздействия ультразвука возникают собственные вибрации объ­ек- та, например небольшого газового пузырька или инородного металличес­кого тела в тканях организма. Этот арте­факт наблюдается в виде полоски повы­шенной яркости за объектом.

Спекл-шум. Спекл-шум - специ­фический артефакт, наблюдаемый на каждом акустическом изображении и обусловленный высокочастотным ха­рактером излучаемых и отражаемых УЗ - сигналов. Излучаемый датчиком сигнал распространяется вглубь в пределах УЗ - луча, сохраняя постоян­ные фазовые соотношения в каждый момент времени в отдельных точках сечения, перпендикулярного оси лу­ча, Это свойство постоянства фаз принято называть пространственной когерентностью. На рис. 5.8,а показано, как выглядит излучаемый сигнал в отдельных точках сечения УЗ - луча в фиксированный момент времени - он практически один и тот же по виду.

При отражении от акустических неоднородностей излученный сигнал порождает множественные эхо-сигналы, которые, складываясь, формируют суммарный эхо-сигнал, протяжен­ный во времени.

В зависимости отвзаимного про­странственного расположения неод-нородностей (отражателей) в каждом пространственном элементе разре­шения эхо-сигналы от отдельных от­ражателей внутри элемента разреше­ния суммируются в соответствии со своими взаимными фазами. Резуль­тат - амплитуда суммарного эхо-сиг­нала - зависит от этих фаз. Например, на рис. 5.8,а два отражателя (1 и 2) в УЗ - луче расположены на одной глубине, эхо-сигналы от них совпадают по фазе' (синфазны) и поэтому амплитуда суммарного эхо-сигнала равна сумме амплитуд эхо-сигналов от каждого из отражателей. Соответствующий элемент изображения на экране прибора будет иметь яркость, пропорциональ­ную этой суммарной амплитуде. Предположим, что мы сдвинули датчик и изменили ракурс наблюде­ния отражателей 1 и 2 (рис. 5.8,б). Вследствие нового ракурса глубина расположения одного из них относи­тельно датчика может быть не равна глубине другого - появляется неболь­шая разность глубин ∆ L. Эта разность может быть меньше величины, харак­теризующей продольную разрешаю­щую способность, т.е. оба отражателя находятся в одном элементе разре­шения. Однако у эхо-сигналов от каж­дого из них появляетсявзаимный фазовый сдвиг, и амплитуда суммарного сигнала будет уже не равна сумме амплитуд эхо-сигналов от отража­телей 1 и 2. Возможен случай, когда фазовый сдвиг между эхо-сигналами равен 180°, т.е. сигналы противофазны. При этом суммарный эхо-сигнал близок к нулю, если эхо-сигналы от отражателей одинаковы по амплиту­де. В соответствующем элементе изображения на экране прибора сиг­нал также будет отсутствовать.

В большинстве практических слу­чаев сигнал в каждом элементе раз­решения получается как сумма не двух, а большего количества эхо-сигналов от

отдельных мелких неодно­родностей, так что и зависимости от их взаимныхфазовых сдвигов будет иметь место усиления или ослабления яркости в элементе изображения.

При покачивании или перемещении датчика появляется характерная «пере­ливающаяся» картина светлых и темных пятен, которая, собственно, и явля-

ется спекл-шумом, мешающим правильно воспринимать полезную информацию по акустическому изображению. Аппа­ратурные методы борьбы со спекл-шу­мом достаточно сложны и по этой при­чине пока широко не применяются.

Рис. 5.8. Спекл-шум, возникающий вследствие пространственной

когерентности излучае­мого УЗ – сигнала: а - эхо-сигналы от

отражателей складываются; б - эхо-сигналы от отражателя

взаимно подавляют друг друга

Специфичность спекл-шума поз­воляет в большинстве случаев отли­чать его от полезных эхо-сигналов. Характер спекл-шума существенно зависит от типа датчика и его рабочей частоты. Спекл-шум зависит также от вида исследуемых биологических структур, поэтому изменение харак­теристик спекл-шума может свиде­тельствовать об изменении свойств тканей, и эта информация иногда мо­жет быть полезна для исследования.

Перечень аппаратурных и физиче­ских артефактов акустического изоб­ражения не исчерпывается приведен­ными - здесь описаны те из них, кото­рые наиболее часто встречаются.

.

Дата добавления: 2014-11-29