Ultrazvuk je mechanické vlnenie s frekvenciou vyššou ako 20 kHz, ktoré presahuje hornú hranicu ľudskej počuteľnosti. Pre človeka je teda ultrazvuk neslyšiteľný, avšak je počuteľný pre mnohé živočíchy, ako napríklad psy, delfíny či netopiere. Ľudské ucho nie je schopné vnímať ultrazvuk z dôvodu anatomicko-fyzikálnych obmedzení stredného a vnútorného ucha. Horná hranica počuteľnosti sa s pribúdajúcim vekom znižuje, u detí môže výnimočne prekročiť aj hranicu 20 kHz. Mnohé živočíchy, predovšetkým nočné druhy, využívajú ultrazvukové vlnenie na orientáciu za zníženej viditeľnosti prostredníctvom echolokácie. Niektoré druhy majú hornú hranicu počuteľnosti až takmer 180 kHz, teda v oblasti ultrazvuku.
Od zdroja sa ultrazvuk šíri prostredím ako vlnenie. Podľa smeru kmitania častíc prostredia sa rozdeľuje na podlžné vlnenie, kde sa častice pohybujú v smere šírenia vlnenia, a priečne vlnenie, kde častice kmitajú kolmo na smer šírenia vlnenia. V mäkkých tkanivách a tekutinách ľudského tela sa ultrazvuk šíri formou podlžného vlnenia.
Ultrazvuk sa podobne ako zvuk najlepšie šíri v tuhých látkach (rýchlosť okolo 3000 m/s), horšie v kvapalinách (rýchlosť 1000 m/s) a najhoršie vo vzduchu (rýchlosť asi 350 m/s). Závislosť rýchlosti vlnenia od prostredia môže byť potenciálnym zdrojom nepresností, ak sa ultrazvuk používa na meranie vzdialeností.
Generovanie a využitie ultrazvuku
Existujú dva hlavné typy generátorov ultrazvuku:
- Mechanické generátory, ako napríklad magnetostrikčné generátory, vytvárajú ultrazvukové vlny pomocou feromagnetickej tyčinky umiestnenej v magnetickom poli elektromagnetu napájaného striedavým prúdom. Majú veľký výkon, ale dokážu generovať ultrazvuk s frekvenciou len do približne 60 kHz. Maximálna frekvencia je obmedzená rastúcou impedanciou budiacej cievky s rastúcou frekvenciou.
- Piezoelektrické generátory sú najčastejšie používané generátory ultrazvuku v medicíne. Využívajú piezoelektrický jav, teda zmenu tvaru niektorých materiálov v elektrickom poli. Platnička z vhodného materiálu (kremeň, niektoré keramické materiály) je pripojená k elektródam so striedavým napätím. Platnička kmitá s rovnakou frekvenciou ako pripojené napätie, čím premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu vlnenia.
V praxi sa využívajú ako spojité, tak aj prerušované (pulzačné) vlny. Princíp využitia pulzačných vĺn spočíva vo vysielaní krátkych impulzov ultrazvukovej energie. Po každom impulze prijímač signálu prijíma odrazenú vlnu v krátkom časovom okne. Signál sa následne vyhodnocuje.
Aplikácie ultrazvuku
Ultrazvukové vlnenie má široké spektrum využitia v rôznych oblastiach:
Medicína
Najdôležitejšou aplikáciou ultrazvuku je medicínska ultrasonografia a akustická mikroskopia. Teoretické využitie týchto metód bolo známe už dávno, ale praktické uplatnenie prišlo s rozvojom techniky.
- Ultrasonografia: Na zobrazovanie objektov v medicíne sa používa mechanické vlnenie s frekvenciami vyššími ako 2 MHz a intenzitou menej ako 1 W/cm². Pre vyššie rozlíšenie je vhodnejšia kratšia vlnová dĺžka, nevýhodou je však menšia penetrácia. S rastúcou frekvenciou (a klesajúcou vlnovou dĺžkou) je ultrazvukové vlnenie vo tkanivách výraznejšie absorbované (dochádza k premene mechanickej energie na tepelnú, teda k ohrevu tkanív). Praktickým dôsledkom je, že ultrazvuk s veľmi vysokou frekvenciou (desiatky až stovky MHz) možno použiť len na vyšetrenie kože. Pri použití dostatočných intenzít na spoľahlivé meranie ozvien by dochádzalo k výraznému ohrevu tkanív tesne pod sondou. Pri vyšších frekvenciách má ultrazvuk nižšiu hĺbku prieniku, ale zároveň lepšiu rozlišovaciu schopnosť.
- Metódy zobrazenia:
- Metóda odrazová impulsná: Sonda sa priloží na povrch a vysiela krátke impulzy vĺn. Tieto vlny prechádzajú skúmaným materiálom, odrážajú sa od rozhraní s iným prostredím s odlišnou akustickou impedanciou a vracajú sa k sonde, kde sú registrované.
- Metóda priechodová impulsná: Používajú sa sondy umiestnené na opačných povrchoch testovaného predmetu - vysielač a prijímač. Meria sa množstvo energie, ktoré prejde materiálom z vysielacej sondy k prijímacej.
- Dopplerovská ultrasonografia: Využíva Dopplerov jav na meranie rýchlosti a smeru pohybu krvných teliesok. Je to moderná a bezbolestná vyšetrovacia metóda používaná pri vyšetrovaní ciev (kŕčové žily, trombózy, tepenné uzávery, cievy v hlave a mozgu), ako aj v pôrodníctve a neonatológii. Lekári považujú Dopplerovskú sonografiu za významný pokrok v diagnostike cievnych chorôb.
Dopplerov jav je jav, ktorý spočíva v zmene frekvencie a vlnovej dĺžky prijímaného signálu oproti vysielanému signálu. Dôvodom je nenulová vzájomná rýchlosť vysielača a prijímača. V dopplerovskej sonografii sa využíva zrážka ultrazvukovej vlny s erytrocytmi v prúdiacej krvi. Frekvencia odrazenej vlny sa v dôsledku pohybu reflektorov líši od vysielanej. Skutočná rýchlosť toku krvi závisí od dopplerovského frekvenčného posunu a dopplerovského uhla (uhol medzi smerom ultrazvukového lúča a smerom toku krvi).
Existujú dva hlavné typy dopplerovských systémov:
- Spojitý (kontinuálny) Doppler (CW): Sonda má dva elektroakustické meniče - vysielač a prijímač. Vysielač nepretržite generuje akustický signál. Táto metóda je jednoduchá a cenovo dostupná, ale neumožňuje zobraziť usporiadanie a umiestnenie sledovaných ciev.
- Pulzný Doppler (PW): Vysielací menič vysiela ultrazvuk v impulzoch. Tento systém umožňuje merať nielen zmenu frekvencie, ale aj čas návratu odrazeného signálu k sonde, čo určuje hĺbku merania. Umožňuje zobraziť smer šírenia ultrazvukovej vlny, označiť smer toku krvi a vymedziť oblasť merania (vzorkovací objem).
V medicíne sa ultrazvuk využíva aj pri zobrazovaní plodu v prenatálnom období. V porovnaní s inými diagnostickými metódami je ultrasonografia jednou z najšetrnejších a pre pacienta nepredstavuje žiadnu hrozbu. Pri vyšších hladinách hlasitosti ultrazvuku (nad 120 dB) však môže dôjsť k strate alebo oslabeniu sluchu.
Priemysel a technika
V praxi sa využíva vlastnosť ultrazvuku odrážať sa na materiálových prechodoch (kde dochádza k zmene materiálu a rýchlosti šírenia zvuku). Táto vlastnosť sa využíva pri detekcii trhlín a vnútorných porúch v materiáloch a technických výrobkoch nedestruktívnym spôsobom.
Odrazy ultrazvuku sa využívajú na meranie vzdialeností (ultrazvukový diaľkomer) a na zistenie polohy a vzdialenosti telies v homogénnom prostredí (sonar, echolot). Tento postup sa nazýva echolokácia.
Ultrazvuk sa využíva aj na čistenie, kde sa pomocou kavitácie (mechanické odstránenie nečistôt rýchlymi nárazmi kvapaliny rozkmitanej ultrazvukom) čistia predmety zložitého tvaru.
Ďalšou technickou aplikáciou je zvlhčovanie vzduchu. Ultrazvukový generátor rozprašuje vodu na malé čiastočky, ktoré sa vznášajú vo vzduchu. Vytvára sa tak vodná hmla bez pár, pretože voda nebola zahrievaná. Táto technológia sa využíva aj pri inhaláciách.
Terminológia a parametre ultrazvuku
Pri práci s ultrazvukom sa stretávame s mnohými pojmami a parametrami:
- Amplitúda (dB): Opisuje veľkosť zmien tlaku v nosnom prostredí zvuku a vyjadruje hlasitosť zvuku.
- CW (continuous wave) Doppler: Vysiela nepretržite ultrazvukové vlnenie do vyšetrovanej oblasti a deteguje frekvenčne posunutý signál. Sondy obsahujú dva elektroakustické meniče - vysielač a prijímač.
- Vzorkovací objem: Je pevne daný prekryvom ultrazvukového zväzku a oblasti, z ktorej prijímač deteguje rozptýlené alebo odrazené vlnenie.
- PW (pulsed wave) Doppler: Vysiela do vyšetrovanej oblasti krátke impulzy ultrazvukového vlnenia.
- Absorpcia: Proces, pri ktorom sa ultrazvuková energia vkladá do prostredia, ktorým prechádza.
- Akustická atenuácia: Redukcia intenzity ultrazvukového signálu prechádzajúceho prostredím. Zahŕňa absorpciu, rozptyl a divergenciu ultrazvukových lúčov.
- Akustická energia: Mechanická energia prenášaná akustickou vlnou.
- Akustická impedancia (AI): Odpor, ktorý kladie prostredie prechádzajúcej zvukovej vlne. Je daná súčinom hustoty prostredia a rýchlosti šírenia zvuku v ňom.
- Akustický tieň: Jav (UZ artefakt), pri ktorom je odraz ultrazvukových vĺn za „atenujúcim“ objektom redukovaný.
- Akustická vlnová dĺžka (λ): Vzdialenosť medzi dvoma bodmi sínusoidy v rovnakej fáze cyklu. Pre vodu a tkanivá je pri frekvencii 1 MHz dĺžka vlny cca 1,5 mm.
- Aliasing: UZ artefakt vznikajúci, keď je frekvencia vzorkovania signálu (v Dopplerovi) nižšia ako dvojnásobok najvyššej frekvencie získavaného signálu.
- B-mode (brightness-mode): Metóda zobrazenia, pri ktorej je amplitúda odrazeného signálu zobrazená moduláciou svetlosti v zodpovedajúcom mieste obrazu.
- Decibel (dB): Jednotka na vyjadrenie pomeru.
- Dopplerovský frekvenčný shift: Rozdiel medzi frekvenciou vyslaných a prijatých (odrazených) ultrazvukových vĺn.
- Frekvencia: Počet cyklov pravidelného procesu za jednotku času, vyjadruje sa v Hz (kHz, MHz).
- Harmonic Imaging: Spracovanie odrazov v násobkoch vysielanej frekvencie (harmonické frekvencie).
- Intenzita UZ: Množstvo energie prenášanej UZ vlnou cez jednotku plochy kolmo na smer šírenia energie.
- Odraz (reflexia): Zmena smeru šírenia časti UZ vlny na rozhraní dvoch prostredí s rôznou akustickou impedanciou.
- Pixel: Najmenšia priestorová jednotka v digitálnom dvojrozmernom zobrazení.
- Pomer signál/šum: Pomer amplitúdy signálu k šumu.
- PRF (Pulse Repetition Frequency): Frekvencia vysielania UZ vĺn v PW Dopplerovi.
- Real time: Snímanie a zobrazovanie UZ obrázkov je tak rýchle, že pohyblivé štruktúry možno vidieť v prirodzenom pohybe.
- Rozlíšenie axiálne (longitudinálne): Minimálna vzdialenosť dvoch odrážajúcich bodov v smere UZ lúča, ktoré sú na displeji zobrazené ako dva samostatné body.
- Rozlíšenie laterálne (bočné, azimutálne): Minimálna vzdialenosť dvoch odrážajúcich bodov v rovine rezu kolmo na smer UZ lúča v určitej hĺbke, ktoré sú na displeji zobrazené ako dva samostatné body. Je podmienené šírkou UZ lúča.
- Termálny index (TI): Vyjadruje riziko ohrevu tkaniva.
- Textúra: Závisí od frekvencie sondy, charakteristiky UZ lúča a štruktúry vyšetrovaného tkaniva.
- TGC (Time Gain Compensation): Elektronická kompenzácia akustickej atenuácie.
Stanovenie maximálnej systolickej prietokovej rýchlosti v arteria cerebri media (MCA-PSV) pomocou dopplerometrie predstavuje vysoko senzitívny neinvazívny spôsob zistenia stupňa fetálnej anémie. Umožňuje presnejšiu predikciu stupňa fetálnej anémie pri erytrocytárnej aloimunizácii.