1. JOHDANTO
Fysiikassa termi ”ultraääni” viittaa kaikkeen akustiseen energiaan, jonka taajuus ylittää ihmisen kuulon (20 000 hertsiä tai 20 kilohertsiä). Tyypilliset diagnostiset sonografiaskannerit toimivat taajuusalueella 2-18 megahertsiä, joka on satoja kertoja suurempi kuin ihmisen kuulon raja. Korkeammilla taajuuksilla on vastaavasti pienempi aallonpituus, ja niiden avulla voidaan tehdä pienempiä yksityiskohtia sisältäviä ultraäänikuvia. Diagnostinen sonografia (ultraäänitutkimus) on ultraäänipohjainen diagnostinen kuvantamistekniikka, jota käytetään kehon ihonalaisten rakenteiden, kuten jänteiden, lihasten, nivelten, verisuonten ja sisäelinten, havainnollistamiseen mahdollisten patologioiden tai vaurioiden varalta. Sonografia on tehokas kehon pehmytkudosten kuvantamisessa. Sonografit käyttävät yleensä käsikäyttöistä anturia (ns. transduktoria), joka asetetaan suoraan potilaan päälle ja jota liikutetaan potilaan yli. Vesipohjaista geeliä käytetään ultraäänen kytkemiseen anturin ja potilaan välille (1, 2).
Vaikka ultraääni löydettiin 12 vuotta ennen röntgensäteilyä (1883.), se on paljon myöhemmin löydetty sovellus lääketieteessä. Ultraäänen ensimmäinen käytännön sovellus on kirjattu ensimmäisen maailmansodan aikana sukellusveneiden havaitsemisessa. Ultraäänen soveltaminen lääketieteessä alkoi viime vuosisadan 50-luvulla. Ensin ultraääni otettiin käyttöön synnytyslääketieteessä ja sen jälkeen kaikilla lääketieteen aloilla (yleinen vatsadiagnostiikka, lantion alueen diagnostiikka, kardiologia, silmätautioppi, ortopedia ja niin edelleen) (3). Kliinisestä näkökulmasta ultraäänellä on korvaamaton merkitys, koska se on ei-invasiivinen, sillä sillä on hyvät visualisointiominaisuudet ja sen hallinta on suhteellisen helppoa (4,5). Kun vuonna 1974 otettiin käyttöön harmaasävyisten signaalien käsittely vuonna 1974, sonografian B-moodista tuli laajalti hyväksytty menetelmä. Edistyminen anturien muotoilussa on johtanut parempaan tilaresoluutioon ja vatsan hyvin pienten rakenteiden (0,5-1 cm) kuvantamiseen. Reaaliaikaisen järjestelmän kehittäminen johti jopa jatkuvaan visualisointimahdollisuuteen tai ultraäänen läpivalaisuun (1). Ultraäänidiagnostiikassa voidaan erottaa kaksi tekniikkaa (2): transmissio- ja heijastustekniikka
Transmissiotekniikka perustuu kudosten erottamiseen, joilla on erilainen ultraäänen absorptiokyky. Ultraäänikuvien epätasaisen absorption vuoksi saadaan sisäinen rakenne, joka koostuu vaaleampien ja tummempien paikkojen mosaiikista. Tästä tekniikasta on nykyään luovuttu (6,1).
Heijastustekniikka (kaiku) rekisteröi, että pulssi heijastuu kahden kudoksen rajalta, joilla on erilainen akustinen vastus. Tekniikka perustuu toimivan kaikuluotaimen (”Sonar Navigation and Ranging”) periaatteeseen. Ääniaalto tuotetaan tyypillisesti pietsosähköisellä anturilla, joka on koteloitu anturiin. Ultraäänilaitteesta tulevat voimakkaat, lyhyet sähköimpulssit saavat anturin soimaan halutulla taajuudella. Taajuudet voivat olla 2-18 MHz:n välillä. Ääni fokusoidaan joko anturin muodon, anturin edessä olevan linssin tai ultraäänitutkimuslaitteesta tulevien monimutkaisten ohjauspulssien avulla. Tämä fokusointi tuottaa kaaren muotoisen ääniaallon anturin etupuolelta. Aalto kulkee kehon sisään ja tarkentuu haluttuun syvyyteen. Uudemman teknologian antureissa käytetään vaiheistettua ryhmätekniikkaa, jonka avulla ultraäänikuvauslaite voi muuttaa tarkennuksen suuntaa ja syvyyttä. Lähes kaikki pietsosähköiset anturit on valmistettu keraamisista aineista (1).
2 D-kuvan tuottamiseksi ultraäänisäde pyyhkäistään. Muuntaja voidaan pyyhkäistä mekaanisesti pyörittämällä tai heiluttamalla. Tai 1D-fased array -muunninta voidaan käyttää säteen pyyhkäisemiseen elektronisesti. Vastaanotetut tiedot käsitellään ja niitä käytetään kuvan muodostamiseen. Kuva on tällöin 2D-esitys kehoon tehdystä viillosta. 3D-kuvia voidaan tuottaa ottamalla sarja vierekkäisiä 2D-kuvia. Yleensä käytetään erikoistunutta luotainta, joka skannaa mekaanisesti tavanomaista 2D-kuva-anturia. Koska mekaaninen skannaus on kuitenkin hidasta, on vaikeaa saada 3D-kuvia liikkuvista kudoksista. Viime aikoina on kehitetty 2D-faasiryhmämuuntimia, jotka voivat pyyhkäistä sädettä 3D:ssä. Näillä voidaan kuvata nopeammin, ja niillä voidaan jopa tehdä eläviä 3D-kuvia sykkivästä sydämestä.
Lääketieteellisessä kuvantamisessa käytetään neljää erilaista ultraäänimoodia (1, 3).
Nämä ovat:
-
A-moodi: A-tila on yksinkertaisin ultraäänen tyyppi. Yksittäinen anturi skannaa viivan kehon läpi, ja kaikukuvat piirretään näytölle syvyyden funktiona. Tiettyyn kasvaimeen tai hammaskiveen kohdistuva terapeuttinen ultraääni on myös A-moodia, jotta tuhoaaltoenergia voidaan kohdistaa täsmällisesti.
-
B-moodi: B-mode-ultraäänitutkimuksessa lineaarinen anturiryhmä skannaa samanaikaisesti kehon läpi kulkevan tason, jota voidaan tarkastella kaksiulotteisena kuvana näytöllä.
-
M-mode: M tarkoittaa liikettä. M-moodissa nopea sarja B-moodikuvauksia, joiden kuvat seuraavat toisiaan peräkkäin näytöllä, antaa lääkäreille mahdollisuuden nähdä ja mitata liikelaajuutta, kun heijastuksia tuottavat elinrajat liikkuvat suhteessa anturiin.
Doppler-moodi: Tässä tilassa hyödynnetään Doppler-ilmiötä verenkierron mittaamisessa ja visualisoinnissa. Doppler-sonografialla on tärkeä rooli lääketieteessä. Sonografiaa voidaan tehostaa Doppler-mittauksilla, joissa käytetään Doppler-ilmiötä sen arvioimiseksi, liikkuvatko rakenteet (yleensä veri) kohti tai poispäin anturista, ja sen suhteellista nopeutta. Laskemalla tietyn näytemäärän, esimerkiksi sydänläpän yli virtaavan verisuihkun, taajuussiirtymä voidaan määrittää ja visualisoida sen nopeus ja suunta. Tämä on erityisen hyödyllistä sydän- ja verisuonitutkimuksissa (verisuonijärjestelmän ja sydämen ultraäänitutkimus), ja se on olennaista monilla aloilla, kuten maksan verisuoniston käänteisen verenkierron määrittämisessä portaalihypertensiossa (6,7). Doppler-tiedot esitetään graafisesti spektraalidopplerin avulla tai kuvana väridopplerin (suunta-doppler) tai tehodopplerin (ei-suunta-doppler) avulla. Tämä Doppler-siirtymä kuuluu kuuloalueelle, ja se esitetään usein stereokaiuttimien avulla: tämä tuottaa hyvin erottuvan, vaikkakin synteettisen, sykkivän äänen (8).
Transoesofageaalinen kaikukardiografia (TEE) avasi ikkunan diagnostiseen kuvantamiseen kardiografian, sydänkirurgian ja anestesian alalla. Käyttämällä TEE:tä 2D-tilassa anestesialääkäri voi seurata sydämen liikkeitä, ja sydänkirurgi saa arvokasta tietoa sydämen tilasta kriittisen kirurgisen toimenpiteen jälkeen.