Применение ультразвуковой визуализации в портативном приборе «БодиСоник» для локации скелетной мышцы



В статье приведены примерыиспользования портативного прибора «БодиСоник» в качестве инструмента для демонстрации потенциала ультразвуковой эхолокации. Получены и проанализированы УЗИ изображения здоровых тканей (скелетных мышц), а также выявлены различные закономерности, совпадающие с общепризнанными особенностями распространения ультразвука в биологических тканях.

Ключевые слова: УЗИ-изображения, скелетная мышца, «БодиСоник».

Введение

Существует метод прямых измерений толщины жирового слова в мягких тканях человека — ультразвуковая локация. Ультразвук — звуковые колебания с частотой более 20 кГц. Наука об ультразвуке является разделом акустики, а основные законы звукового диапазона типичны и для ультразвуковых колебаний, то есть могут испытывать преломление, отражение и поглощение. Данные волновые свойства позволяют использовать ультразвук в различных физических и технологических методах, например, для исследований в медицине, биологии, эхолокации, дефектоскопии и во многих других областях.

Скорость распространения в среде зависит от плотности среды, её упругих свойств и температуры. По скорости распространения звука в среде судят о ее физических характеристиках, а благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека ультразвук получил широкое распространение в медицине.

В отличие от рентгеновских приборов или магнитно-резонансных томографов, приборы для УЗИ диагностики мягких тканей обладают относительной безвредностью и простотой использования и поэтому могут быть повсеместно использованы для визуализации состояния внутренних органов и тканей человека.

Ультразвук и особенности его распространения в биологических тканях

УЗ-волна, подобно звуковой, состоит из чередующихся участков сгущения и разряжения частиц среды. Верхняя граница УЗ-частот обусловлена физической природой упругих волн и достигает 20 МГц.

Длина волны зависит от частоты ν как:

. При увеличении частоты длина волны убывает, поэтому длина УЗ-волны значительно меньше, чем звуковой волны, воспринимаемых человеческим ухом.

В средах с резко выраженными неоднородностями (размеры препятствий соизмеримы с длиной волны) наблюдаются отклонение волны от прямолинейного распространения (явление дифракции). Если размеры препятствия больше длины волны, то за преградой образуется «УЗ-тень». Если же размеры препятствий меньше, чем длина волны, то дифракционные явления выражены слабо и их можно не учитывать, следовательно, УЗ-лучи распространяются направленным потоком и легко фокусируются. Вследствие малости длины ультразвуковой волны по сравнению со звуковыми волнами в слышимой области, ультразвуки, подобно свету, могут излучаться в виде узких направленных пучков и на границе раздела двух сред их отражение и преломление происходит по законам подобным законам геометрической оптики [1].

Мягкие ткани организма обладают различным акустическим сопротивлением , величина которого зависит от их плотности среды ρ и скорости распространения звуковых волн как: . Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. В таблице 1 приведены значения скорости звука и акустического сопротивления в различных средах и биологических тканях.

Таблица 1

Значения скорости звука и акустического сопротивления в различных средах и биологических тканях

Среда	Плотность, кг/м 3	Скорость звука, м/с	Акустический импеданс, кг/(м 2 /с) *10 6
Воздух (0 о С)	1,3	330	0.00043
Вода (20 о С)	995,32	1497	1.49
Гладкие мышцы	993,55	1550	1.54
Жировая ткань	904,11	1460	1.32
Кости	1699,45	3660	6.22

Достигнув границы раздела двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается.

Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей:

.

Чем больше различие между двумя средами, тем больше значение коэффициента отражения отражение и, естественно, больше интенсивность зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата [2]. Примеры различных отражений на границе сред приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значения коэффициента отражения на границе двух сред

Границы сред	R, %
Мышца-жир	10,0
Мышца-кость	64,0
Воздух-мягкие ткани	99,95

Практически полным отражением от границы раздела «воздух-мягкие ткани» обусловлено использование специального акустического геля при проведении различных УЗ исследований. Гель создает тесную связь между датчиком и кожей, уменьшая артефакты и облегчая перемещение датчика по коже. При включенном ультразвуке датчик перемещается по месту измерения без потери контакта с кожей.

Ультразвуковая система «БодиСоник»

Система «БодиСоник» используется для оценки общего состояния телосложения здоровых взрослых и детей и не предназначена для диагностики отдельных заболеваний. Ультразвуковая система «БодиСоник» с помощью эхо-локации фиксирует отраженные акустические сигналы от слоев жировой и мышечной ткани для последующих измерений толщины этих слоев. Программная оболочка BodyView обеспечивает индикацию положения жирового и мышечного слоя, вычисления их толщины и общего процентного содержания жира. Внешний вид прибора, а также программная оболочка приведены на рис. 1.

Рис. 1. Прибор «БодиСоник» с окном программы BodyView

Когда ультразвуковые волны бегут по тканям, они испытывают сильное отражение на границе различных типов ткани, например «жир-мышца» или «мышца-кость». Специализированная программа ПК выполняет поиск сигналов, соответствующих границам слоев «кожа–жир», «жир–мышца» и «мышца–кость» и измеряет толщины слоев, используя номинальные значения скоростей звука в этих средах.

Базовая частота излучения прибора соответствует 2.5МГц. При увеличении частоты можно получить более высокое продольное разрешение прибора, но при этом за счет высокого затухания возникают проблемы при локации тучных людей (толщина жирового слоя более 35 мм), а также мешающие отражения от кожного покрова. При понижении частоты за счет уменьшения затухания можно проводить измерения на тучных пациентах, но при этом может не выявляться жировой слой у людей средней комплекции. Эксперименты на частоте 2.5МГц показали наилучшие результаты в широком диапазоне значений жирового слоя [3].

Программная оболочка Body View позволяет получить два вида сканов — А-скан и В-скан. А — эхограмма и соответствующий ей А-режим работы получили свое название от слова amplitude (амплитуда). Амплитуды фиксируются на экране как функция глубины, что позволяет информировать исследователя не только о глубине расположения структур, но и об уровне эхо-сигналов от них.

Система «БодиСоник» позволяет также получать изображения поперечных сечений выбранных участков тела — В-скан. Название «B-скан» произошло от английского brightness — яркость, что в полной мере отражает принцип построения изображения. Такой скан представляет собой поперечное сечение внутрь ткани вдоль направления сканирования. Относительная сила, или амплитуда, эхо-сигналов представлена яркостью изображения В-скана на экране компьютера. Сильные отражения кажутся белыми; более слабые отражения кажутся синими, а отсутствие эхо-сигналов — черными. В результате получается двумерное изображение.

Рис. 2–3 иллюстрируют А- и В- скан соответственно.

Рис. 2. График эхограммы ультразвуковой системы	Рис. 3. Соответствующий эхограмме В-скан

Преобразователь в А-режиме, использует узкий луч для сканирования разрыва ткани и создает всплеск на графике. Сканирование в режиме B, использует линейную матрицу для получения двумерного изображения путем объединения сигналов в режиме A с различных направлений [4].

Получение В-сканов с помощью прибора «БодиСоник»

Процедура ультразвукового сканирования проста [5]. Акустический гель наносится на головку датчика и/или на кожу в месте, подлежащем измерению. Рис. 4 наглядно показывает датчик прибора «БодиСоник».

Рис. 4. Датчик 2.5 МГц прибора «БодиСоник»

При включенном ультразвуке датчик перемещается по месту измерения без потери контакта с кожей. Величина перемещения зависит от цели теста; для отдельного участка, сравнимого с кожной складкой, перемещение составляет всего около ±5 мм, но при необходимости, например, получения скана бедра, датчик может перемещаться по всей области. Сканирование занимает всего несколько секунд. После сканирования изображение выводится в программе BodyView на мониторе и может быть сохранено для анализа.

Измерения были проведены по трем направлениям: сравнение сканов в разных точках бедра у одного испытуемого, сравнение в одной точке у людей разной комплекции, получение скана «в динамике». Все сканы были получены со здоровых, неповрежденных мышц.

С помощью прибора «БодиСоник» были взяты пробы с разных точек бедра у одного человека: рис. 5 соответствует пробе в середине берда, рис. 6 — пробе выше колена.

Рис. 5. Проба с середины бедра	Рис. 6. Проба с внутренней части бедра

Нам отчетливо видны три пика: первый пик (1) — граница «жир-мышца». Более мелкие пики (2) –внутренняя структура ткани, в том числе соединительные ткани в мышечном слое. Третий пик (3) — граница «мышца-кость». Стрелка на обеих рисунках соответствует истинной толщине мышц. Видно, что В-сканы имеют разную структуру, отражения разной интенсивности. Также мы видим разную толщину мышечной прослойки, обусловленную анатомически различной толщиной ткани в разных точках, при этом показатели жировой прослойки практически не изменяются. В отличие от любых других методов измерения, только ультразвуковой способен дать точные соотношения жировой и мышечной ткани.

Взяв пробы у людей разного телосложения, мы можем убедиться в разном соотношении жировой и мышечной ткани в одной точке взятия пробы. Проиллюстрируем это с помощью рис.7–8.

Рис. 7. Проба у человека телосложения типа «Атлет»	Рис. 8. Проба у человека телосложения типа «Астеник»

При сравнении В-сканов людей разного телосложения мы можем отметить следующее: различная толщина мышечной ткани, различное распределение внутренней структуры ткани, а также различный уровень отражения от границы «жир-мышца», что говорит нам о том, что меньше жира и более гармонично развитая мускулатура у человека с атлетическим телосложением.

Данный скан (рис. 9) взят по другой методике: если все предыдущие сканы были взяты статично, то в этом эксперименте прибор медленно перемещался вдоль поверхности бедра по направлению к колену. У нас получился интересный результат: при слабом изменении верхней границы у нас существенно меняется нижняя. Это происходит потому, что мы движемся по направлению к колену, где жировая ткань практически не меняется, а вот мышечной становится меньше по мере приближения к коленной чашечке.

Рис. 9. Проба с бедра при движении датчика вдоль поверхности

Заключение

Таким образом, не имея медицинского образования, но зная об отражении на границах сред мы можем проводить измерения и следить за изменением жировой и мышечной прослоек, а прибор «БодиСоник» с программным обеспечением Body View может стать удобной ультразвуковой альтернативой кожным складкам и другим полевым методам оценки процентного содержания жира в организме.

Литература:

1. Осипов Л. В. Ультразвуковые диагностические приборы: режимы, методы и технологии. М.: ИзоМед, 2011. -316 с.
2. Хилл К., Бэмбер Дж., Хаар Г. Ультразвук в медицине. Физические основы применения: учебник. — М.: Физматлит, 2008. — 544 с.
3. Кириллов А. Г., Рейман А. М. Экспертная система диагностики ожирения и функционального тонуса организма «БодиCоник» // Ученые записки физического факультета Московского университета. 2017. № 5. С. 1750701.
4. Мищенко Е. А., Демин И. Ю. Использование портативного прибора «БодиСоник» для демонстрации возможностей ультразвуковой эхолокации // Труды XXVI научной конференции по радиофизике, посвященной 120-летию М. Т. Греховой. / Нижний Новгород: ННГУ. 2022. С. 431–433.
5. Практическое руководство по ультразвуковой диагностике. — М.: Видар, 2011. — 720 с.