1. WPROWADZENIE
W fizyce termin „ultradźwięki” odnosi się do wszelkiej energii akustycznej o częstotliwości powyżej ludzkiego słuchu (20 000 herców lub 20 kiloherców). Typowe diagnostyczne skanery sonograficzne działają w zakresie częstotliwości od 2 do 18 megaherców, setki razy większych niż granica ludzkiego słuchu. Wyższe częstotliwości mają odpowiednio mniejszą długość fali i mogą być wykorzystywane do wykonywania sonogramów z mniejszymi szczegółami. Sonografia diagnostyczna (ultrasonografia) jest techniką obrazowania diagnostycznego opartą na ultradźwiękach, używaną do wizualizacji podskórnych struktur ciała, w tym ścięgien, mięśni, stawów, naczyń i narządów wewnętrznych w celu wykrycia ewentualnych patologii lub zmian. Sonografia jest skuteczna w obrazowaniu tkanek miękkich ciała. Sonografowie zazwyczaj używają ręcznej sondy (zwanej przetwornikiem), która jest umieszczana bezpośrednio na pacjencie i przesuwana nad nim. Do sprzężenia ultradźwięków między przetwornikiem a pacjentem używany jest żel na bazie wody (1, 2).
Ale ultradźwięki zostały odkryte 12 lat przed promieniami rentgenowskimi (1883 r.), a ich zastosowanie w medycynie jest znacznie późniejsze. Pierwsze praktyczne zastosowanie ultradźwięków odnotowano podczas I wojny światowej w wykrywaniu okrętów podwodnych. Zastosowanie ultradźwięków w medycynie rozpoczęło się w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Najpierw wprowadzono je w położnictwie, a następnie we wszystkich dziedzinach medycyny (ogólna diagnostyka jamy brzusznej, diagnostyka w zakresie miednicy, kardiologia, okulistyka, ortopedia i inne) (3). Z klinicznego punktu widzenia ultrasonografia ma bezcenne znaczenie ze względu na swoją nieinwazyjność, dobre właściwości wizualizacyjne i stosunkowo łatwe zarządzanie (4,5). Od momentu wprowadzenia w 1974 roku przetwarzania sygnałów w skali szarości powszechnie akceptowaną metodą ultrasonografii stał się tryb B. Postęp w kształtowaniu przetworników pozwolił na uzyskanie lepszej rozdzielczości przestrzennej i obrazowanie bardzo małych struktur w jamie brzusznej (0,5-1 cm). Rozwój systemów czasu rzeczywistego doprowadził nawet do możliwości ciągłej wizualizacji lub fluoroskopii ultrasonograficznej (1). W diagnostyce ultrasonograficznej można wyróżnić dwie techniki (2): transmisyjną i refleksyjną
Technologia transmisyjna opiera się na rozróżnieniu tkanek o różnej absorpcji ultradźwięków. Ze względu na nierównomierną absorpcję ultradźwięków obrazy przedstawiają strukturę wewnętrzną, która składa się z mozaiki jaśniejszych i ciemniejszych miejsc. Technologia ta jest obecnie zarzucona (6,1).
Technologia odbicia (echo) rejestruje impuls odbity od granicy dwóch tkanek o różnym oporze akustycznym. Technika ta oparta jest na zasadzie działania sonaru („Sonar Navigation and Ranging”). Fala dźwiękowa jest zazwyczaj wytwarzana przez przetwornik piezoelektryczny zamknięty w sondzie. Silne, krótkie impulsy elektryczne z aparatu ultrasonograficznego powodują, że przetwornik dzwoni na żądanej częstotliwości. Częstotliwości te mogą wynosić od 2 do 18 MHz. Dźwięk jest ogniskowany albo przez kształt przetwornika, soczewkę przed przetwornikiem, albo przez złożony zestaw impulsów sterujących z ultrasonografu. To ogniskowanie wytwarza falę dźwiękową w kształcie łuku z czoła przetwornika. Fala ta przemieszcza się w głąb ciała i ogniskuje się na żądanej głębokości. W przetwornikach nowszej technologii stosuje się technikę phased array, która umożliwia maszynie sonograficznej zmianę kierunku i głębokości ogniskowania. Prawie wszystkie przetworniki piezoelektryczne są wykonane z ceramiki (1).
Aby wygenerować obraz 2 D, wiązka ultradźwiękowa jest omiatana. Przetwornik może być obracany mechanicznie przez obracanie lub kołysanie. Lub 1D phased array przetwornik może być używany do zamiatania wiązki elektronicznie. Odebrane dane są przetwarzane i wykorzystywane do konstruowania obrazu. Obraz jest wówczas reprezentacją 2D wycinka ciała. Obrazy 3D mogą być generowane poprzez uzyskanie serii przylegających obrazów 2D. Zazwyczaj stosuje się specjalistyczną sondę, która mechanicznie skanuje konwencjonalny przetwornik obrazu 2D. Jednakże, ponieważ skanowanie mechaniczne jest powolne, trudno jest uzyskać obrazy 3D poruszających się tkanek. Ostatnio opracowano przetworniki 2D typu phased array, które mogą przemiatać wiązkę w 3D. Umożliwiają one szybsze obrazowanie i mogą być nawet wykorzystywane do tworzenia na żywo obrazów 3D bijącego serca.
Cztery różne tryby ultradźwięków są stosowane w obrazowaniu medycznym (1, 3).
Są to:
-
Tryb A: A-mode jest najprostszym rodzajem ultrasonografii. Pojedynczy przetwornik skanuje linię przez ciało, a echo jest wyświetlane na ekranie jako funkcja głębokości. Ultradźwięki terapeutyczne, ukierunkowane na konkretny guz lub kamień, są również trybem A, aby umożliwić precyzyjne skupienie energii fal niszczących.
-
Tryb B: W ultrasonografii w trybie B liniowy układ przetworników jednocześnie skanuje płaszczyznę przechodzącą przez ciało, która może być oglądana na ekranie jako obraz dwuwymiarowy.
-
Tryb M: M oznacza ruch. W trybie m szybka sekwencja skanów w trybie B, których obrazy następują po sobie kolejno na ekranie, umożliwia lekarzom zobaczenie i zmierzenie zakresu ruchu, ponieważ granice organów, które wytwarzają odbicia, poruszają się względem sondy.
Tryb doplerowski: W tym trybie wykorzystuje się efekt Dopplera w pomiarze i wizualizacji przepływu krwi. Sonografia dopplerowska odgrywa ważną rolę w medycynie. Sonografia może być wzbogacona o pomiary dopplerowskie, które wykorzystują efekt Dopplera do oceny, czy struktury (zazwyczaj krew) poruszają się w kierunku lub od sondy, oraz ich względnej prędkości. Obliczając przesunięcie częstotliwości danej objętości próbki, na przykład strumienia krwi przepływającej przez zastawkę serca, można określić i zobrazować jej prędkość i kierunek. Jest to szczególnie przydatne w badaniach układu sercowo-naczyniowego (sonografia układu naczyniowego i serca) i niezbędne w wielu dziedzinach, takich jak określanie wstecznego przepływu krwi w naczyniach wątroby w nadciśnieniu wrotnym (6,7). Informacja dopplerowska jest wyświetlana graficznie przy użyciu Dopplera spektralnego lub jako obraz przy użyciu Dopplera kolorowego (Dopplera kierunkowego) lub Dopplera mocy (Dopplera niekierunkowego). To przesunięcie Dopplera mieści się w zakresie słyszalnym i często jest prezentowane dźwiękowo przy użyciu głośników stereo: wytwarza to bardzo charakterystyczny, choć syntetyczny, pulsujący dźwięk (8).
Echokardiografia przezprzełykowa (TEE) otworzyła okno w obrazowaniu diagnostycznym w dziedzinie kardiografii, kardiochirurgii i anestezjologii. Wykorzystując TEE w trybie 2-D, anestezjolog może monitorować ruchy serca, a kardiochirurg uzyska cenne informacje o stanie serca po krytycznym zabiegu chirurgicznym.
.