Ultrazvuková diagnostika, známa aj ako sonografia, ultrasonoskopia, echografia alebo hovorovo ultrazvuk, je zobrazovacia technika založená na využití ultrazvuku. Táto metóda sa používa na vizualizáciu svalov a vnútorných orgánov, ich veľkostí, štruktúry, patológií alebo lézií. Všeobecne sa používa napríklad počas tehotenstva.
Vo fyzike znamená „ultrazvuk“ všetky akustické energie s frekvenciou nad možnosťou ľudského sluchu (20 000 hertzov alebo 20 kilohertzov). Do tela vyšetrovaného pacienta je vysielané ultrazvukové vlnenie vytvárané piezoelektrickým meničom o frekvencii 2 - 18 MHz a intenzite maximálne 10 Wm−2. Mäkké tkanivá sa chovajú ako tekutina, ultrazvukové vlnenie je len priečne s priemernou rýchlosťou 1540 ms−1.
Akustická impedancia, a teda i rýchlosť šírenia ultrazvukového vlnenia, však nie je vo všetkých tkanivách celkom rovnaká, tkanivá majú rozdielnu akustickú impedanciu. Na rozhraní dvoch tkanív s odlišnou akustickou impedanciou sú vhodné podmienky pre čiastočný odraz vlnenia. V ideálnom prípade je plocha rozhrania kolmá na smer šírenia ultrazvukového vlnenia a odrazené vlnenie môže byť registrované.
Aby bolo vôbec možné registrovať odrazené vlnenie, vysiela sa ultrazvuk v milisekundových impulzoch s opakovanou frekvenciou rádovo 102-103 Hz a registruje sa intenzita odrazených signálov i doba, za akú sa po vysielaní vráti do senzoru. Pretože vzduch má pre ultrazvukové vlnenie veľmi vysokú impedanciu, je potrebné zaistiť, aby vlnenie prechádzalo len vodným prostredím.
Vývoj metód zobrazenia
A mód (Amplitude mode) je jednorozmerné zobrazenie, pri ktorom sa na tienidle zobrazujú amplitúdy odrazených signálov. Výstupom vyšetrenia je teda krivka zobrazujúca závislosť korigovanej intenzity odrazeného signálu na čase uplynutom od vyslania signálu. Tento mód umožňuje presné meranie vzdialenosti. V jednorozmernom obraze je všeobecne ťažká orientácia, pretože vyšetrujúci si musí dobre predstaviť trojrozmernú štruktúru organizmu a v nej viesť iba jeden skúmajúci lúč. Jednorozmerné vyšetrenie najmä v A móde je podkladom.
B mód (Brightness mode) je jednorozmerné zobrazenie, pri ktorom sa amplitúdy odrazených signálov prevádzajú do odtieňov šedej. Výstupom je úsečka zložená z pixelov o rôznom jase. Jasný bod odpovedá vrcholu na krivke z A módu, tmavý úsek odpovedá nulovej línii na krivke z A módu.
M mód (Movement mode) je spôsobom jednorozmerného zobrazenia umožňujúci zobrazenie pohybujúcich sa štruktúr, najčastejšie srdca. Ide vlastne o dáta v B móde zobrazené za sebou v čase.
2D zobrazenie je základným zobrazením. Z 2D obrazu môžeme v prípade potreby získať i jednorozmerné obrazy v móde A, B a aj M. Dvojrozmerný obraz je získaný ako rada vedľa seba položených úsečiek jednorozmerného zobrazenia v B móde. Technicky sa dá získať niekoľko lúčov buď vychyľovaním lúčov jedného meniča, alebo použitím rady (array) meničov pracujúcich súčasne. 2D zobrazenie je široko využívanou metódou vyšetrenia vnútorných orgánov, lebo je pomerne ľahko dostupné a prakticky nezaťažujúce pacientov. Používa sa napr. k diagnostickému zobrazeniu pečene, žlčníku a žlčových ciest, slinivky brušnej, dutiny pobrušnice, obličiek, močových ciest a močového mechúra, prostaty, semenníkov, pŕs, maternice, ovarií, srdca, ciev, štítnej žľazy, mäkkých kĺbových a okolo kĺbových štruktúr a u novorodencov dokonca i mozgu. Samozrejmosťou je i ultrazvukové vyšetrenie vyvíjajúceho sa plodu.
Moderným zobrazením je trojrozmerná rekonštrukcia radov dvojrozmerných snímkov. Najčastejšie sa takéto obrazy používajú v pôrodníctve, môžu však byť použité i napr. v ortopédii. Trojrozmerný obraz vzniká ako počítačová rekonštrukcia z radov za sebou ležiacich dvojrozmerných rezov. Aby bolo možné takúto rekonštrukciu uskutočniť, je dôležité poznať informácie o umiestnení jednotlivých rezov.
Priekopníci a míľniky
Prvé pokusy so šírením ultrazvuku vo vodnom prostredí uskutočnil J. D. Colladon v roku 1826 vo vodách Ženevského jazera, princíp nazval SONAR. F. A. Fireston (Michigan) zhotovil v roku 1841 reflektoskop k sledovaniu defektov v kovových výrobkoch.
O rok neskôr predniesol Ch. Doppler v Prahe objavnú prácu „O farebnom svetle zdvojených hviezd“. Ad Christian Andreas Doppler (1803 - 1853): Objavnú prácu „O farebnom svetle zdvojených hviezd“ predniesol ako profesor matematiky na Nemeckej polytechnike v Prahe v máji 1842, neskôr prácu publikoval, i tak však spočiatku nebola prijatá, niektorí fyzici ju odmietali. Pre konflikty so študentami aj pre finančné problémy odišiel v roku 1847 do Banskej Štiavnice, kde bol do roku 1849 profesorom matematiky a fyziky na Banskej a lesníckej akadémii.
V roku 1957 opísali I. Donald a T. Brown (Glasgov) tzv. „compound scan“. O tri roky neskôr skonštruoval J. Holmes prvý B-scan - pacient musel byť ponorený vo vani. Túto nevýhodu sa snažili odstrániť začiatkom šesťdesiatych rokov W. Wright a E. Meyer skonštruovaním prvej sondy fungujúcej v kontakte s telom.
R. Soldner a W. Krause vyvinuli v roku 1965 „fast B scanner“, ktorý bol prvým skutočným komerčne dostupným real-time 2D zobrazením. V ďalších rokoch sa objavila škála sivej (G. Kossoff, Sydney, 1969) a farebné mapovanie toku (M. Brandestini, Washington, 1975), komerčne dostupné od roku 1985.
Ako prvé diagnostické využitie ultrazvuku v Československu sa eviduje použitie priemyselného defektoskopu pri detekcii výpotku v perikarde (Hůla, Plzeň, 1967). V roku 1968 sa v Brne konala konferencia Ultrazvuk v biológii a medicíne (garant I. Hrazdira), na nej vznikla myšlienka odbornej spoločnosti. Tá vznikla v júli 1974 v Brne ako Sekcia pre ultrazvuk v medicíne a biologii pri Československej biologickej spoločnosti pri ČSAV.
Na Slovensku prvé skúsenosti s M-mode vyšetrovaním srdca prezentovali I. Riečanský a I. Šimo v Bratislave (1975). K prvým priekopníkom USG patrili A. Kováč, M. Kubiš, P. Kleskeň a ďalší.
V deväťdesiatych rokoch publikovali skúsenosti E. Goncalvesová, M. Szántová, Š. Hrušovský a J. Beňačka. V roku 1988 vyšla monografia Abdominálna ultrasonografia od A. Kováča. V roku 1999 bol vydaný na CD Atlas farebného mapovania toku (J. Beňačka).
Po zániku UZ sekcie ČSAV vznikla v roku 1994 Slovenská spoločnosť pre ultrazvuk v medicíne (SSUM), jej prvým predsedom bol J. Beňačka. SSUM je organizátorom kongresov a mnohých akcií s postgraduálnym zameraním.
Dopplerovský jav a jeho využitie
Využitím Dopplerovho javu je možné získať informáciu o rýchlostiach pohybu tkanív, obzvlášť krvi. Dôležité však je, že sa obvykle nezískajú skutočné rýchlosti, ale iba zložky rýchlosti v smere k sonde alebo od sondy. Preto pokiaľ bude sonda merajúca prietok krvi cievou umiestnenou kolmo na cievu, nameria nulovú rýchlosť.
CW mód je jednoduchší na technické riešenie, dáva však informáciu iba o priemernej rýchlosti pozdĺž ultrazvukového lúča.
PW mód umožňuje merať nielen zmenu frekvencie medzi vysielaným a prijímaným signálom, ale i dobu, za akú sa odrazený signál vrátil k sonde. To umožňuje určiť nielen rýchlosť toku, ale i hĺbku, v ktorej došlo k odrazu.
Doplerovské meranie v PW móde je možné na väčšine bežne používaných prístrojov, výsledok sa zobrazuje ako dvojrozmerný obraz nameraných rýchlostí. Výsledky sa obvykle kódujú farebne (farebná kódovaná doplerovská sonografia) - čím vyššia je v danom bode rýchlosť k sonde, tým jasnejším odtieňom červenej je zobrazený v odpovedajúcom mieste a monitore, čím je väčšia rýchlosť od sondy, tým je jasnejší odtieň modrej. Táto voľba farieb má tú výhodu, že miesta s turbulentným prúdením sa zobrazí žlto.
Ku zvýšeniu kontrastu obrazu a tým i citlivosti vyšetrenia, môžeme použiť vnútrožilovo podané kontrastné látky.
Moderné aplikácie a budúcnosť ultrazvuku
Najviac badatelských tímov pôsobí vo vývoji diagnostických lekárskych metód, ktoré sa preto neustále zdokonaľujú prístrojovo i metodicky. V lekárskej ultrazvukovej diagnostike - ultrasonografii - jednoznačne prevládajú tzv. duplexné zobrazovacie systémy, ktoré spájajú výhody ultrazvukovej tomografie s dopplerovským meraním parametrov toku krvi.
Ultrazvuková tomografia je dvojrozmerným zobrazením akustických rozhraní, od ktorých sa odrážajú ultrazvukové impulzy. Pri súčasnom dopplerovskom meraní („farebný doppler“) je relatívny pohyb krvi voči sonde vysielajúcej ultrazvuk zobrazovaný pomocou rôznofarebných polí vnútri rezov cievami či srdcom.
Vysokofrekvenčné sondy (s frekvenciou 10 až 20 MHz) s vysokou rozlišovacou schopnosťou sa stále častejšie uplatňujú nielen v očnom lekárstve, ale i pri neinvazívnych histologických vyšetreniach napr. kože či stien vnútorných orgánov.
Špecifickým prejavom súčasných snáh o skvalitnenie ultrazvukového zobrazenia i dopplerovských meraní sú tzv. ultrazvukové kontrastné prostriedky. Ide o farmaká na báze stabilizovaných plynových mikrobublín alebo emulzií, ktoré sú injikované do ciev či niektorých telesných dutín v priebehu ultrazvukového vyšetrenia.
Napriek pokrokom v diagnostike sa ultrazvuk využíva aj v terapii. Na používaní ultrazvuku pre rehabilitačnú fyzioterapiu rôznych ochorení pohybového ústroja a pri niekoľkých ďalších indikáciách sa v zásade nič nemení. Netradične sa však objavuje snaha využiť ultrazvuku pre riadené uvoľňovanie liečiv z implantovaných nosičov. Snáď ešte zaujímavejšie sú pokusy zosilniť trombolytický účinok niektorých liečiv pri časnej liečbe infarktu myokardu rozpustením krvnej zrazeniny.
Zvlášť sa rozvíja oblasť aplikácií vysokofrekvenčného (okolo 1 MHz) intenzívneho fokusovaného ultrazvuku. Niekoľkosekundové „dávky“ ultrazvuku, ktorého intenzita dosahuje v ohnisku i viac než 10 000 W.cm-2, veľmi rýchlo zničia tkanivo kombinovaným tepelným a kavitačným účinkom.
Princípy Dopplerovho ultrazvuku
Pri nízkych frekvenciách ultrazvuku (20 až 30 kHz) je podstatne znížená hodnota kavitačného prahu, tj. intenzity ultrazvuku potrebnej na vyvolanie deštruktívnych kavitačných javov. Zvýšená teplota prostredia vytvára podmienky pre ľahší vznik a rozkmitanie kavitačných bublín. Na strane druhej je v priestore s intenzívnou kavitáciou ultrazvuk viac pohlcovaný a to vedie i k ďalšiemu nárastu teploty.
Ultrazvukové dezintegrátory, používané napr. pre homogenizáciu suspenzií, sú vybavené kónickým koncentrátorom, stomatologické nástroje majú podobu stomatologických sond alebo kovových vláken. Ultrazvukový aspirátor je asi najrozšírenejším ultrazvukovým nástrojom používaným vo všeobecnej chirurgii.
Rázová vlna sa líši od vlnenia ultrazvukového jednak tým, že sa prostredím šíri osamole ako jediný mohutný tlakový kmit, jednak svojim poněkud odlišným tvarom. Trvá okolo jednej mikrosekundy a dosahuje vysokých hodnôt kladného okamžitého akustického tlaku. Elektrickou iskrou generované rázové vlny litotriptorov majú špičkovú hodnotu kladného akustického tlaku okolo 100 MPa.
Čas od času prebehnú správy o tom, že ultrazvuková diagnostika je zdrojom určitého rizika pre vyšetrované objekty. Hovorí sa napr. o možnostiach genetického poškodenia prostredníctvom chromozomových zlomov alebo výmen sesterských chromatíd. Ultrazvuková diagnostika preto zostáva jednou z najbezpečnejších diagnostických metód používaných v medicíne. Ultrazvuková terapia ovšem s určitými rizikami spojená je, čo však platí o každej terapeutickej metóde, ktorá aktívne zasahuje do štruktúr a procesov vnútri nášho tela.
