Lékařský ultrazvuk
Co je ultrazvuk
Ultrazvuk se příliš neliší od zvukových vln, které známe, kromě toho, že jeho „zvuk“ neslyšíme. Když frekvence zvukových vln dosáhne více než 20 kHz, což je mimo rozsah, který mohou normální lidé vnímat, nazývá se tento druh zvukových vln ultrazvuk. Podobně, pokud je frekvence zvukové vlny nižší než rozsah, který mohou lidé slyšet, jedná se o infrazvukovou vlnu. Takže v jiných fyzikálních vlastnostech jsou ultrazvukové vlny v podstatě stejné jako zvukové vlny. Ultrazvuk/Zvuková vlna je druh mechanické vlny, podélné vlny a tlakové vlny. Šíří se vibrací částic a vibrace částic budou nadále generovat oblasti s relativně vysokým a nízkým tlakem (jak je znázorněno na obrázku níže) a její směr vibrací je v souladu se směrem šíření, takže šíření ultrazvukových vln vyžaduje médium. V různých médiích je rychlost ultrazvukových vln různá. Například rychlost ve vzduchu je asi 340 metrů za sekundu, v lidském těle je to asi 1540 metrů za sekundu a rychlost ve vakuu je 0. Ultrazvuk má široké uplatnění, zejména v lékařské oblasti. Jako neradioaktivní metoda může ultrazvuk pomoci lékařům při lepší diagnostice pacientů. Později bude podrobně rozšířen.
Jak vytvořit ultrazvuk
Generování ultrazvukových vln a generování zvukových vln jsou založeny na stejném principu. Pro zvukové vlny obvykle používáme jako příklad telefon. Při mluvení se zvuk (mechanická energie) přeměňuje na elektrické signály (elektrická energie), které putují na druhý konec, a poté se při poslechu elektrické signály přeměňují zpět na zvuk. To je úplně stejné jako proces generování a přijímání ultrazvukových vln a jejich principem je piezoelektrický jev. Piezoelektrický efekt spočívá v tom, že určité materiály, jako je křemen, vyvinou na svém povrchu určitý stupeň napětí, když je vystaven mechanickému tlaku; a přivedeme-li na jeho povrch napětí, vygeneruje určitý stupeň mechanické deformace. Přesným ovládáním elektrického signálu pak můžeme generovat a přijímat ultrazvukové vlny. V současnosti je PZT nejběžnějším materiálem používaným v ultrazvukových přístrojích. Při normálním provozu přístroje se ultrazvukové vlny obvykle objevují spíše ve formě pulsů než kontinuálních vln, takže obecně PZT přijímá elektrický pulzní signál, generuje ultrazvukovou vlnu a poté začne monitorovat a příjem vrátí jeden signál. Po dalším. Ultrazvukové signály jsou převedeny na odpovídající elektrické signály pro další zpracování dat a cyklus se opakuje, dokud není skenování dokončeno.
Šíření ultrazvuku v lidském těle
Jak již bylo zmíněno dříve, rychlost ultrazvukových vln v lidském těle je asi 1540 metrů za sekundu, což je ve skutečnosti průměrná hodnota a je to také rychlost kalibrace používaná ultrazvukovými přístroji ve většině případů. Jak bude zmíněno později, ultrazvukové zobrazování závisí na odhadu rychlosti ultrazvuku a jeho přesnost bude mít přímý dopad na kvalitu obrazu. Pro různé orgány a tkáně je pak přenosová rychlost různá. Například v mozku je to asi 1510 metrů za sekundu, v játrech a ledvinách asi 1560 metrů za sekundu, ve svalech 1570 metrů za sekundu atd. Ty se příliš neliší od průměru. Rychlost ultrazvuku v tuku je však pouze asi 1440 metrů za sekundu. Tento rozdíl rychlostí výrazně snižuje kvalitu ultrazvukového obrazu u obézních pacientů, takže v tomto případě přístroj znovu zkalibruje nebo dynamicky upraví rychlost.
Vzhledem k tomu, že ultrazvuk je druh vlny, bude také produkovat fyzikální jevy související s vlnami s různými tkáněmi a orgány během šíření lidského těla. Tyto jevy jsou základem pro zobrazování ultrazvukem. Především přenos, odraz, rozptyl a lom. Když PZT vysílá ultrazvukové vlny a narazí na lidské orgány/tkáně, část vln může proniknout a dále se šířit hluboko do lidského těla původním směrem, což je přenos a energie vln bude při tomto procesu částečně absorbována; zbývající část vln, které se vracejí v opačném směru a jsou přijímány PZT, tato část je odražená vlna a signál těchto odražených vln je hlavní surovinou pro zobrazování; energie rozptýlených vln je obvykle velmi malá a lomené vlny budou rušit zobrazování. V podstatě schopnost přenosu ultrazvuku a schopnost orgánů/tkáň absorbovat ultrazvuk určuje, jak hluboko může ultrazvuk „vidět“. Protože čím nižší frekvence, tím silnější je průnik ultrazvuku, takže když lékaři potřebují vidět hlouběji, často se použije detektor s nižší frekvencí (Transducer), ale nízká frekvence obvykle způsobí zhoršení kvality obrazu. Toto je kompromis, který je třeba udělat a bude podrobně probrán později, až budeme mluvit o detektorech.
Úvod do lékařského ultrazvukového zobrazování
S prohlubováním výzkumných a lékařských potřeb se ultrazvukové snímky změnily z pouhých 1D na 3D/4D. Ultrazvukové přístroje nyní mohou podporovat různé zobrazovací režimy, aby vyhovovaly potřebám různých pacientů a lékařů. Následující text představuje několik běžných režimů zobrazování.
A-režim: Jde o tzv. 1D, což je nejjednodušší režim. Detektor vysílá vlnu ultrazvukových vln v určitém směru a přístroj prezentuje rovnici mezi odraženým signálem a hloubkou a obraz je podobný signálu, který obvykle vidíme na osciloskopu. Režim A byl hlavním režimem raných ultrazvukových přístrojů a nyní se méně používá, ale lze jej také použít k vedení vysokoenergetických vln k léčbě nádorů během operace.
B-režim: B je zde jas. V tomto režimu detektor skenuje oblast a generuje 2D obraz ve stupních šedi. Toto je jeden z nejčastěji používaných režimů. Čím světlejší je barva (bílá), tím silnější je odražený signál, obecně povrch orgánu/tkáně, a čím je barva tmavší (černá), tím je odražený signál slabší.
M-režim: M je zde pohyb. V režimu pohybu přístroj provádí rychlé skenování a zobrazování v režimu B, takže lékař může vidět pohyb orgánu, což je zvláště důležité pro diagnostiku související se srdcem.
Dopplerův režim: Dopplerův režim, pojmenovaný podle použití Dopplerova jevu k měření rychlosti pohybujících se objektů. V dopplerovském režimu mohou lékaři sledovat tok a směr krve, aby identifikovali možné léze v krevních cévách.
Barevný Doppler: Tento režim lze zjednodušeně chápat jako B-režim/M-režim plus Doppler, to znamená, že na základě 2D snímků ve stupních šedi se dopplerovský režim a barevná kalibrace používají k zobrazení polohy, průtoku krve, průtoku a směr krevních cév.
3D/4D: 3D režim je 3D obraz, který může představovat orgány/tkáně. Pokud jde o 4D, jedná se o 3D obraz v reálném čase. Zatímco mnoho pokročilých ultrazvukových přístrojů využívá 3D a 4D režimy, obecně se příliš nepoužívají.
