Ультразвук в диагностике состояния костной ткани

Прижизненное измерение физических параметров костной ткани оказалось возможным после разработки целого ряда рентгенологических и радиологических методов. Это и рентгенограмметрия, дающая размеры и форму кости, и рентгенографическая фотоденситометрия, позволяющая оценивать содержание кальция в костной ткани по рентгенофотометрической плотности, иными словами, по степени почернения рентгенограммы. Этот метод широко применяется в медицине и ветеринарии. Он позволил обнаружить многие общие закономерности, например уменьшение с возрастом содержания кальция в костной ткани, и разработать методы диагностики.

Стремление улучшать методы рентгенограмметрии и рентгенографической фотоденситометрии привело к замене рентгеновских лучей более короткими монохроматическими гамма-лучами (монофотонная абсорбциометрия), или гамма-лучами, содержащими фотоны двух энергий, что позволяет параллельно измерить еще и толщину кости. Современные методы рентгеновской компьютерной томографии дают возможность воссоздать на экране монитора общий вид и особенности структуры разных участков кости. Плотность костной ткани можно определить по рассеянию квантов радиоактивного излучения высоких энергий, а прижизненный нейтронно-активационный анализ дает количественную информацию о содержании в костной ткани кальция, натрия, хлора, фосфора, ряда других элементов.

Каждый из указанных методов имеет определенные плюсы, но все они требуют для своей реализации применения ионизирующих излучений, специальной, часто стационарной аппаратуры. Следует также отметить, что, несмотря на меры биологической защиты, использование этих методов сопряжено с опасностью лучевого поражения исследуемого организма и обслуживающего персонала.

Изменения свойств костной ткани, связанные с изменением состава и структуры, отражаются и на ее акустических параметрах — на коэффициенте поглощения ультразвука и на скорости его распространения в кости. Метод, основанный на поглощении ультразвука костной тканью, был предложен сравнительно недавно — в 1984 г. Ослабление ультразвука связано не только с содержанием минеральных веществ, но и со структурированностью костной ткани, расположенной на пути распространения ультразвука. Ослабление проходящего через кость ультразвука заметно зависит от частоты, и в ряде случаев для повышения информативности метода измерения проводят в широком диапазоне частот.

Система для измерений содержит бак с водой, в котором на определенном расстоянии друг от друга установлены излучатель и приемник ультразвука. Между ними располагают исследуемую конечность. Для измерений используются импульсные режимы ультразвука, частота которого за время формирования импульса меняется от 0,2 до 1 МГц. Амплитудные спектры обрабатываются компьютером, а все измерение занимает насколько секунд. Результат измерения, как уже указывалось выше, зависит не только от степени минерализации, но и от структурных особенностей кости. Поэтому ожидать высокой точности от этого метода не приходится. Повторяемость результатов обычно составляет около 35% и сильно зависит от положения приемника ультразвука относительно излучателя.

Рис. 2.6. Зависимость поглощения ультразвука костной тканью от частоты:

1 — молодой организм; 2 — зрелый организм Исследования показали, что поглощение ультразвука в костной ткани заметно увеличивается с возрастом (рис. 2.6). Как известно, с возрастом увеличивается и хрупкость костей, что обусловлено снижением минерализации костной ткани.

Намного проще для реализации в медицине и ветеринарии метод ультразвуковой остеометрии, основанный на измерении скорости распространения ультразвука в костях.

В твердых телах скорость продольной волны определяют по формуле.

а скорость поперечной (сдвиговой) волны, смещение частиц в которой перпендикулярно распространения ультразвука, рассчитывается по формуле.

где р — плотность вещества;

G — модуль сдвига;

к — модуль объемного сжатия.

Скорость распространения продольных волн всегда больше скорости распространения сдвиговых волн: с_пр > с_сд -J2.

В ограниченных по размеру твердых телах, помимо продольной и поперечной, возникают и другие волны, скорость распространения которых определяется не только составом и структурой тела, но и его размерами и формой.

При ультразвуковой остеометрии излучатель и приемник ультразвука накладывают через специальную или любую контактную смазку (вазелиновое масло, глицерин и пр.) на поверхность тела перпендикулярно оси кости, стараясь по возможности выбрать место, где слой мягких тканей между костью и поверхностью тела мал. Конструктивно остеометр выполнен так, что реагирует лишь на первый импульс, достигший приемника.

Ультразвуковой импульс от излучателя распространяется к приемнику не только по костной, но и по мягким тканям (рис. 2.7). Скорость ультразвука в кости (с_к) примерно в 1,5−2 раза выше, чем в мягких тканях (с_м), поэтому расстояние L от излучателя до приемника волна пройдет за время t_{ = —, а время распространения через мыш;

с_м

цу и кость определяется по формуле.

Через кость сигнал дойдет до приемника раньше, чем через мышцу, если t2 > t. Полагая, что скорость ультразвука в кости вдвое превышает скорость ультразвука в мягких тканях, можно показать, что условие ti > t выполняется в том случае, если L > 4/, т. е. расстояние между излучателем и приемником более чем в четыре раза превышает толщину мягких тканей.

Иногда для определения толщины мягких тканей между костью и излучателем, а также между костью и приемником остеометры снабжают ультразвуковыми одномерными эхолокаторами. Результаты измерения толщин с помощью этих локаторов отражаются на экране или просто учитываются программой компьютера при расчетах.

Рис. 2.7. Измерения скорости ультразвука в кости через неповрежденные покровные ткани: L — расстояние между излучателем (И) и приемником (П); / - толщина мышечной ткани Учитывая большую разницу между скоростью ультразвука в костях и мягких тканях, ультразвуковую остеометрию весьма эффективно используют для первичной сортировки пострадавших при техногенных и природных катастрофах, а также для наблюдения за формированием костных мозолей после переломов.

Рис. 2.8. Изменение скорости ультразвука в процессе образования костной мозоли на месте перелома бедренной кости 2,5-месячной овцы (1) и 5-месячной овцы (2):

…- скорость ультразвука в той же кости до перелома Исследования, проведенные на овцах разного возраста, показали, что скорость ультразвука, резко снизившаяся в результате перелома, постепенно нарастает в течение 2,5−3 месяцев, стремясь к значениям, характерным для целой кости (рис. 2.8).