Моделирование влияния параметров слоистой системы при ультразвуковом исследовании трубчатой кости

Абдуллаев Р.Я., Зинвалюк А.В., Абдуллаев Р.Р.

Харьковская медицинская академия последипломного образования

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Вступление. Большинство специалистов лучевой диагностики скептически относятся к ультразвуковой визуализации костных структур. Действительно при непосредственном контакте ультразвукового датчика и кости возникает артефакт затемнения – плотная акустическая тень, которая не позволяет увидеть позадирасположенные структуры. Эмпирически в практике нередко удается визуализировать внутреннюю структуры фаланг стопы и кистей, несколько реже – крупных трубчатых костей.

Возможность применения ультразвука для визуализации не только мягких, но и костных структур является достаточно перспективной в силу целого ряда причин:

 - высокое разрешение получаемых изображений (порядка длины зондирующей волны);

 - отсутствие лучевой нагрузки на пациента;

 - возможность коррекции угла обзора в реальном времени.

Исходя из вышеперечисленного, разработка методики ультразвукового исследования внутренней структуры кости представляет достаточный научный и медицинский интерес.

Цель исследования – создание модели слоистой структуры, соответствующей анатомическому строению, при ультразвуковом сканировании.  Модель была создана на основе теории ультразвуковой дефектоскопии с учетом медицинской специфики предмета изучения. Модель представляет собой математическое описание упругих свойств слоистой системы. Параметры каждого слоя связаны с анатомическими и физическими особенностями определенного типа тканей. Особенностью разработанной модели является учет влияния упругого слоя, характеризующего костную ткань, на общее угловое распределение коэффициента прозрачности.

Как известно, прохождение ультразвука через мягкие ткани практически идентично его прохождению через слой жидкости. Прохождение ультразвука через упругий слой имеет ряд особенностей, связанных с возможностью преобразования типов колебаний при прохождении через границу слоя. В этом случае передача энергии может осуществляться тремя типами волн: продольными, поперечными и поверхностными.

Результаты. Проведя исследования представленной модели для указанной выше системы слоев, получены следующие данные:

 - система имеет 2 критических угла полного внутреннегоотражения, что объясняется наличием двух типов колебаний в кости;

 - распределение окон прозрачности зависит от соотношений акустических импедансов каждого из слоев и частоты зондирующих колебаний;

 - окна прозрачности имеют достаточно узкую угловую направленность, что может затруднять их нахождение при проведении дальнейших практических опытов;

 - наблюдается периодическая зависимость амплитудных значений коэффициента прозрачности от толщины слоя мягких тканей.

В качестве примера на рис.1 показано ультразвуковое изображение трубчатой кости, на рис. 2 и 3 – представлено распределение  коэффициента прозрачности (передачи давления через совокупность слоев) для системы кожа-мышца-кость-костный мозг на частоте 7,5 МГц.

В отличие от профиля яркости, полученного на основе рентгеновского снимка, на профиле яркости ультразвуковой картины можно дифференцировать практически все основные морфологические элементы диафиза трубчатой кости: компактное и губчатое вещество, а, также гипоэхогенный камбиальный слой надкостницы, обеспечивающий рост кости в толщину.

Выводы. Моделирование обосновывает возможность ультразвукового сканирования внутренней структуры трубчатой кости. Экспериментальная проверка результатов, полученных в ходе моделирования, является предметом дальнейших исследований.