Ultrazvuk je v medicínskej diagnostike cenený pre svoju minimálnu invazívnosť a širokú dostupnosť, čo z neho robí bežnú techniku v mnohých lekárskych odboroch. Okrem priameho diagnostického využitia slúži ultrazvuk aj ako dôležitý laboratórny nástroj v lekárskej biofyzike.
Princíp generovania ultrazvuku: Piezoelektrický jav
Pre diagnostické účely sa ultrazvuk najčastejšie generuje pomocou piezoelektrického javu. Tento jav je založený na vlastnosti niektorých kryštálov, ktoré majú vo svojej štruktúre elektrické náboje. Tieto náboje môžu byť voľné a pohyblivé, alebo pevne viazané v kryštálovej mriežke.
Keď dôjde k pružnej deformácii piezoelektrického kryštálu, zmení sa jeho kryštálová štruktúra a tým aj vzájomná poloha viazaných nábojov. Posunutie kladných a záporných nábojov v kryštáli vedie k vzniku nenulového elektrického poľa, ktoré je možné na povrchu kryštálu zmerať ako elektrické napätie.
Opačný piezoelektrický jav funguje rovnako. Ak je kryštál z vhodného materiálu umiestnený v dostatočne silnom elektrickom poli, dochádza k jeho merateľnej deformácii. Pri časovo premenlivom elektrickom poli sa kryštál deformuje s rovnakou periodicitou, čím sa stáva zdrojom mechanického vlnenia. Jeden piezoelektrický prvok, nazývaný ultrazvukový menič, tak môže slúžiť ako zdroj aj ako detektor ultrazvuku.
Ultrazvukové prístroje a zobrazenie
V bežných ultrazvukových prístrojoch pracuje ultrazvukový menič v dvoch režimoch. Najprv generuje ultrazvukové vlnenie s frekvenciou zvyčajne v rozsahu 3 až 10 MHz po dobu niekoľkých milisekúnd. Následne menič prepne do režimu prijímača a zachytáva odrazené vlnenie.
Samotné akustické vlnenie vysielané do tkanív sa šíri ako pozdĺžne vlnenie. Na rozhraní dvoch prostredí s rozdielnou akustickou impedanciou sa časť vlnenia odrazí späť k zdroju (tzv. echo) a časť prejde ďalej. Odrazený signál je zachytený meničom a premenený na elektrický signál, ktorý sa vzhľadom na svoju vysokú frekvenciu nazýva rádiofrekvenčný signál.
Z doby uplynutej medzi vyslaním a prijatím akustického signálu je možné určiť hĺbku, v ktorej došlo k odrazu. K tomu je však potrebné poznať rýchlosť šírenia ultrazvuku v tkanivách, ktorá sa v mäkkých tkanivách pohybuje okolo 1540 m/s.
Význam frekvencie ultrazvuku
Frekvencia ultrazvuku je kritickým faktorom ovplyvňujúcim kvalitu obrazu. S rastúcou frekvenciou klesá vlnová dĺžka, čo umožňuje rozlíšiť jemnejšie detaily a získať kvalitnejší obraz. Na druhej strane, vyššia frekvencia znamená aj vyššiu disipáciu energie, čo pri vyšetrovaní hlboko uložených orgánov môže viesť k nežiaducemu ohrevu.
Preto sa na vyšetrenie orgánov v brušnej dutine používajú frekvencie v jednotkách MHz, zatiaľ čo na vyšetrenie štítnej žľazy, lymfatických uzlín a ciev sú vhodnejšie frekvencie okolo 10 MHz. Ultrazvukové vyšetrenia s frekvenciami vyššími ako 10 MHz už nie sú celkom rutinné.
Speckle fenomén
Speckle je charakteristický fenomén pre ultrasonografiu. Ultrazvukové vlny sa pri prechode tkanivami rozptyľujú v dôsledku drobných štruktúr tkaniva, ktoré majú rozmery porovnateľné s vlnovou dĺžkou ultrazvuku. Tieto rozptýlené vlny interferujú s užitočnou vlnou.
Speckle vzory môžu znižovať prehľadnosť obrazu pre neškolené oko, ale zároveň nesú informáciu o štruktúre tkaniva.
Režimy ultrazvukového zobrazenia
Existuje niekoľko základných režimov ultrazvukového zobrazenia:
- A mód (Amplitude): Jednorozmerné zobrazenie, kde jednotlivé odrazy sú zobrazené ako impulzy na časovej osi. Amplitúda impulzov zodpovedá intenzite odrazených vln. A mód má v súčasnosti obmedzené využitie, napríklad pri biometrii oka.
- B mód (Brightness): Základ tomografického zobrazenia. Pri dynamickom zobrazení pomocou viacerých meničov v jednej sonde je možné získať obraz v reálnom čase.
- M mód (Motion): Používa sa na vyšetrenie pohybu anatomických štruktúr, najmä srdca. Ide o sériu jednorozmerných záznamov v pravidelných časových intervaloch.
Trojrozmerné (3D) a štvordimenzionálne (4D) zobrazenie
Trojrozmerné (3D) zobrazenie je možné získať pomocou špeciálnych sond, kde sú meniče usporiadané v matici, alebo matematickým spracovaním série dvojrozmerných obrazov. Štvordimenzionálne (4D) zobrazenie predstavuje 3D obraz v reálnom čase.
Výhodou 3D/4D sond je možnosť zobrazenia celého objemu v krátkom čase, nevýhodou je ich väčšia veľkosť a potreba zabezpečiť dobrý kontakt s povrchom tela pacienta.
Typy ultrazvukových sond
Podľa usporiadania meničov a tvaru sondy rozlišujeme niekoľko typov:
- Lineárna sonda: Meniče sú usporiadané v jednej rade, výsledný obraz má tvar obdĺžnika.
- Konvexná sonda: Meniče sú usporiadané v rade s mierne konvexným podkladom, obraz má tvar výseče z mezikružia.
- Sektorová sonda: Umožňuje zobraziť široký rez tkaniva cez malé okno kontaktu sondy s telom pacienta.
- Sonda s rotačným meničom: Staršie riešenie.
- Sonda s elektronickým vychyľovaním: Moderné riešenie.
- Tužková sonda: Obsahuje jeden menič, používa sa napr. pri ultrazvukovom prietokomeri.
- Cirkulárna sonda: Umožňuje zobraziť široký až kruhový rez tkaniva kolmo na os sondy, používa sa napr. pri transrektálnom vyšetrení prostaty.
- Sonda typu array: Cesta k získaniu 3D obrazu.
Dopplerovské metódy
Dopplerovské metódy využívajú zmenu frekvencie vlnenia na meranie rýchlosti pohybujúcich sa štruktúr, predovšetkým prietoku krvi. Pri týchto metódach sa používajú oddelené vysielače a prijímače.
Duplexné meranie kombinuje dvojrozmerné dynamické zobrazenie (B mód) s pulznou dopplerovskou metódou merania rýchlosti. Na monitore sa zobrazuje nielen rýchlosť prietoku, ale aj jeho lokalizácia.
Farebná duplexná ultrasonografia obohacuje obraz o farebnú informáciu o pohybe. Tok krvi smerom od sondy je zobrazený modrou farbou, tok k sonde červenou. Jas farby indikuje rýchlosť toku.
Dopplerov jav je fyzikálny princíp, na ktorom sú založené dopplerovské metódy. Predstavuje zmenu detekovanej frekvencie vlnenia pri vzájomnom pohybe zdroja a detektora. V medicíne to znamená, že ultrazvukové vlnenie sa odráža od pohybujúcich sa krviniek, pričom dochádza k posunu frekvencie. Tento posun je potom analyzovaný na určenie rýchlosti prietoku krvi.