Ultrazvuk

Ultrazvuk je zvuk čija je frekvencija iznad gornje granice čujnosti za normalno ljudsko uho, a koja iznosi 20 kHz (20000 herca).
Neke životinje (npr. psi, dupini, šišmiši, miševi, ...) mogu čuti ultrazvuk jer imaju višu gornju graničnu frekvenciju od čovjeka. Mlađe osobe, a posebno djeca, mogu čuti neke zvukove visokih frekvencija. Što je čovjek stariji, gornja granica čujnosti mu pada što znači da sve slabije čuje zvukove visokih frekvencija. Visoke zvučne frekvencije sastavni su dio spektra frekvencija koje proizvodi neki izvor zvuka, a spektar zvučnih frekvencija čini boju zvuka. Opadanjem čujnosti visokih frekvencija starenjem, starijim ljudima se mijenjaju i boje zvuka što će reći da simfonijski orkestar ili zvuk violine drugačije čuje netko od 6, kao odrastao čovjek od 30 ili kao starac od 80 godina.
Najpoznatija primjena ultrazvuka je u medicini - ultrazvučna dijagnostika no koristi se i u mnoge druge svrhe (otkrivanje jata riba i podmornica tzv. sonar). Pricip korištenja je vrlo jednostavan: odašilje se ultrazvučni val koji se odbija od prepreke te se prema vremenu potrebnom da se val vrati određuje udaljenost i oblik objekta.

Ultrazvucni valovi su valovi frekvencije iznad frekvencije cujnosti ljudskog uha. U
medicinskoj dijagnostici se upotrebljava ultrazvuk frekvencije izmedu 3 i 10 MHz. U
tijelu se ultrazvuk prvenstveno širi longitudinalnim valovima, kod kojih cestice sredstva
(tkiva) titraju uzduž smjera širenja valova. U mekim se tkivima mogu širiti samo
longitudinalni valovi, dok se u kostima mogu širiti i druge vrste valova, poput
transverzalnih, ali se to u današnjoj klinickoj dijagnostici ne koristi. Najbitniji
parametri koji opisuju val jesu :
- valna duljina
- frekvencija
- brzina širenja
- intenzitet
Prve tri velicine povezane su medusobno formulom : v = fl
v - brzina širenja ultrazvuka (približno 1540 m/s u mekim tkivima),
f - frekvencija u Hz
l - valna duljina u m
Što je viša frekvencija, valna duljina je kraca. Intenzitet ultrazvuka je mjera
gustoce energije koja protice kroz jedinicnu površinu u jedinicnom vremenu i mjeri se u
W / m2. U dijagnostici se upotrebljavaju prosjecni intenziteti reda velicine nekoliko
milivata po kvadratnom centimetru. Dosad nije dokazana štetnost takvih intenziteta na
sisavce.
U medicinskoj ultrazvucnoj dijagnostici se upotrebljavaju kratki impulsi
ultrazvuka, koji u sebi sadrže cijeli spektar frekvencija, dok se pod radnom frekvencijom
podrazumijeva centralna frekvencija tog spektra. Ljudska tkiva nisu jednolicna u
pogledu širenja ultrazvucnih valova, pa pri prolazu tih valova kroz tkiva dolazi do
loma, refleksije, raspršenja, te apsorpcije energije. Refleksija ovisi o odnosu
karakteristicnih akusticnih impedancija sredstava na cijoj se granici ultrazvuk
reflektira. Karakteristicna akusticka impedancija je definirana kao odnos trenutnog
zvucnog tlaka i brzine titranja cestica koje taj tlak izaziva. Kut loma valova na granici
sredstava ovisi o odnosu brzina širenja u tim sredstvima. Medu mekim tkivima razlike
impedancija i brzina su malene, ali dovoljne da omogucuju upotrebu odjeka za
medicinsku dijagnostiku. Karakteristicna akusticka impedancija kostiju je dva do cetiri
puta veca, a u plinovima nekoliko redova velicine manja nego u mekim tkivima. Brzina
ultrazvuka u kostima je dva do tri puta veca nego u mekim tkivima, dok je u plinovima
pet puta manja. Prigušenje ultrazvuka je oko deset puta vece u kostima i plucima
(ispunjenim zrakom) nego u mekim tkivima. Sve to bitno utjece na prikaz kosti i organa
u kojima ima plina.
Opcenito se može reci da se mogu prikazivati konture kosti i hrskavica, ali ne i
unutrašnjost kosti. Naime, refleksivnost neke granice tkiva ovisi o razlici impedancija
tih tkiva. Ako je ta razlika velika, onda se vecina energije odbije i ostane vrlo malo za
prikaz unutrašnjosti kosti, a i taj se ostatak vrlo brzo prigušuje i nema dovoljno energije
za povrat do sonde.
Za mjehurice plinova ovi su efekti još drasticniji, i prakticki onemogucavaju
prikaz unutrašnjosti organa ispunjenih plinovima. Cak bi i tanki sloj zraka izmedu
sonde i kože pacijenta onemogucio pregled, pa stoga kožu pacijenta mažemo
kontaktnim sredstvom (uljem ili gelom). Apsorpcija i raspršenje ultrazvuka rastu s
porastom frekvencije, tj. niže frekvencije su prodornije. Zbog toga se za abdominalne
preglede (jetra, bubrezi, gušteraca...) upotrebljavaju frekvencije od oko 3 MHz, za
pretrage djece, vrata, dojke i slicno – oko 5 MHz, neki put i 7 MHz. Viša frekvencija
omogucuje bolje razlucivanje detalja u slici, te se u praksi upotrebljava najviša
frekvencija koja je još dovoljno prodorna.


U današnjim medicinskim ultrazvucnim uredajima upotrebljavaju se informacije
o vremenu i smjeru povratka ultrazvuka i amplitudi reflektiranog ultrazvuka. Ostali
podaci, poput faze i kuta raspršenja se ne upotrebljavaju , iako su u svijetu u tijeku
istraživanja mogucnosti da se ta svojstva upotrebe za karakterizaciju tkiva.


DOPPLEROV EFEKT

Ova pojava, nazvana po znanstveniku koji ju je opisao, sastoji se u tome da
prijemnik, koji se relativno krece prema pretvaracu, prima drugaciju frekvenciju od
odaslane. Ako se prijemnik i odašiljac približavaju, frekvencija koju prima prijemnik
viša je od odaslane, a ako se udaljavaju, primljena frekvencija je niža. Razlika odaslane
i primljene frekvencije naziva se Dopplerovim pomakom, i upravo je proporcionalna
brzini približavanja ili udaljavanja odašiljaca i prijemnika. U medicini se ovaj efekt
primjenjuje tako, da se ultrazvuk usmjerava na pokretne reflektore (obicno eritrociti u
pokretu) i mjeri se razlika odaslane i reflektirane frekvencije, iz cega se može odrediti
brzina i karakteristike protoka krvi.
Važno je znati da Dopplerov efekt postoji samo ako se zbog kretanja mijenja
udaljenost primopredajnika i reflektora. To znaci da nema Dopplerovog pomaka, ako je
kretanje pod pravim kutom na ultrazvucni snop. Kretanje pod nekim drugim kutom
mora se uzeti u obzir odgovarajucim proracunom.

SISTEMI ULTRAZVUCNIH UREÐAJA

Kod upotrebe ultrazvuka u medicini u unutrašnjost tijela se odašilju kratki impulsi
ultrazvuka (duljine trajanja manje od jedne mikrosekunde) i detektiraju se njihovi
odjeci iz unutrašnjosti tijela. Isti pretvarac se upotrebljava kao odašiljac, pa zatim kao
prijemnik ultrazvuka. Poznavajuci brzinu ultrazvuka, i mjereci vrijeme potrebno da se
odjek vrati, odreduje se udaljenost reflektirajucih struktura u tijelu. Ultrazvucni impulsi
se u unutrašnjost tijela odašilju približno 1000 puta u sekundi. Odjeci se na ekranu
uredaja prikazuju:
- A prikazom (Amplitude mode)
- B prikazom (Brightness mode)
- M prikazom (Motion mode)
A prikaz - Odjeci se na ekranu prikazuju kao šiljci sa udubinama koje odgovaraju
udaljenostima reflektirajucih struktura uzduž snopa. Udaljenost izmedu
šiljaka na ekranu odgovara u nekom mjerilu udaljenosti reflektirajucih
struktura u tijelu. Ovaj se prikaz upotrebljava u neurologiji, oftalmologiji i
pregledu sinusa.
B prikaz - Vraceni odjeci prikazuju se u obliku svijetlih tocaka. Položaj svijetlih
tocaka na ekranu odgovara položaju odgovarajucih reflektora u tijelu,
zahvaljujuci elektronickom sistemu koji u svakom trenutku odreduje
položaj sa kojeg je odaslan ultrazvucni impuls, i smjer u kojem je odaslan.
Sistem radi automatski, tako da se svijetle tocke slažu u memoriji uredaja,
pa se dobivaju linije sastavljene od bliskih tocaka. Te linije predstavljaju
ravninski prikaz sloja reflektivnih struktura u tijelu koje se nalaze u
podrucju pretraživanja sonde sa pretvaracima. Debljina “sloja” ovisi o
“debljini” ultrazvucnog snopa i u praksi efektivno iznosi izmedu 2 i 10
mm.
M prikaz - Njime se najbolje mogu prikazati pokreti jace reflektivnih struktura u tijelu,
obicno srcanih struktura. Ovom metodom se na ordinati prikazuje trenutna
dubina nekog reflektora, a na apscisi, tekuce vrijeme. Tijekom mjerenja
snop je stalno usmjeren u istom smjeru. Mjerenja brzine krvi pomocu
Dopplerovog efekta prikazuju se spektrom Dopplerovih pomaka.


OSNOVNI DIJELOVI ULTRAZVUCNOG UREÐAJA

Ultrazvucni uredaj se, u osnovi, sastoji od
sonde, odašiljackog puls generatora,
kompenzacijskog pojacala, upravljacke jedinice za
fokusiranje, digitalnog procesora i sistema za
prikaz. Uredaj funkcionira tako da se prema
programu digitalnog racunala aktivira puls
generator, ciji se elektricki impulsi, preko
upravljacke jedinice (za usmjeravanje i fokusiranje)
prenesu na pretvarac u sondi. Odjeci se primaju
istom sondom, pojacavaju u kompenzacijskom
pojacalu, gdje se istovremeno kompenzira i
prigušenje ultrazvuka u tkivima, te se ti signali
zapamte u memoriji i prikažu na sistemu za prikaz
(obicno TV monitor). Rukovatelj uredajem mora sam
podesiti kompenzacijsko pojacalo tako da
kompenzira prigušenje ultrazvuka u podrucju tijela
koje pretražuje.


PRETVARAC I ULTRAZVUCNI SNOP

Pretvarac je naprava koja elektricke signale pretvara u mehanicke (ultrazvucne
vibracije) i obratno.
Kad se aktivirani pretvarac prisloni na tijelo, on u tijelo odašilje ultrazvucni
snop. Snop nema jednolican intenzitet ultrazvuka po svojem poprecnom presjeku. Ako je
snop fokusiran, onda je u podrucju žarišta sužen. Što je snop uži, to je lateralno
razlucivanje (poprijeko na snop) bolje.
U neposrednoj blizini pretvaraca snop je neravnomjeran zbog interferencije, to je
tzv. blisko polje, a na vecim udaljenostima monotono opada (daleko polje). U pretrazi
plitkih organa (štitnjaca, dojka, oko), neravnomjernost bliskog polja može zasmetati, pa
se izmedu sonde i tijela stavljaju odstojne kupke (u improvizaciji to može biti kirurška
rukavica ispunjena vodom). Ultrazvucni se valovi fokusiraju lecama, ultrazvucnim
ogledalima i elektronicki, pomocu kašnjenja aktivacije višestrukih pretvaraca.
Elektronicko fokusiranje je fleksibilno, i moguce je fokus smjestiti na mjesto po
potrebi, dok je fokus lece ili ogledala fiksan (ali je sonda jeftinija).


LINEARNE SONDE

Ove sonde sadrže linearni niz pretvaraca. Oko 64 pretvaraca u obliku trake
smješteno je jedan do drugog na duljini 5 – 10 cm. Svaki od tih pretvaraca može se
posebice aktivirati putem svojeg kabela. Ako želimo dobro usmjereni snop, pretvarac
mora biti znatno veci od valne duljine, pa se stoga u radu aktiviraju grupe pretvaraca,
primjerice prvo pretvaraci 1 – 10, potom pretvaraci 2 – 11, potom 3 – 12, i tako do
kraja sonde, tj. do grupe 55 – 64. Tako dobivamo efekt kao da smo pretvarac širine 10
elemenata pomicali uzduž linearne sonde. Kod ove se sonde u jednoj ravnini
upotrebljava elektronicko fokusiranje, a u drugoj (poprijeko na ravninu pretrage) se
koristi fokusiranje lecom.
SEKTORSKE SONDE

Razlikujemo dvije vrste ovih sondi .Prva vrsta ima rotirajuci mehanicki sektorski
pretvarac, kod kojeg je nekoliko pretvaraca smješteno na obodu valjcica koji se okrece.
Kad neki od pretvaraca dode pred akusticki prozor koji je usmjeren prema tijelu, onda
se aktivira i stvara sliku. U sljedecem trenutku to se isto dogada sa sljedecim
pretvaracem itd. Pojedine slike se medusobno preklapaju. Kod druge se vrste jedan
pretvarac pokrece njišucim pokretima i pretražuje unutrašnjost tijela. Obje sonde daju
približno trokutasti format slike, i nazivaju se sektorskim sondama.
SONDE KOD KOJIH SE PRSTENASTIM PRETVARACEM IZVODI FOKUSIRANJE, A
NJIŠUCIM OGLEDALOM PRETRAŽIVANJE

Ove sonde imaju pretvarac sastavljen od koncentricnih prstenova koji se mogu
neovisno aktivirati, cime se može ostvariti elektronicko fokusiranje. Pretraživanje
unutrašnjosti tijela vrši se pokretnim ogledalom.
KONVEKSNE SONDE

Ovaj sistem naziva se konveksni niz i razlikuje se od linearne sonde po tome, što
su trakasti pretvaraci smješteni na zakrivljenoj plohi, obicno luku, pa se dobiva nacin
pretrage izmedu sektorskog i pravokutnog.


Pored ovih sustava postoji još i tzv. fazno upravljani pretvarac, koji je graden
poput linearnog, ali su trakasti pretvaraci smješteni na vrlo uskom prostoru (1 – 2 cm),
te se i upravljanje smjerom snopa vrši pomocu kašnjenja u vremenu aktivacije pojedinih
pretvaraca. Svi navedeni tipovi sondi imaju svoje podrucje primjene i upotrebljavaju se
u praksi. Linearni je najjeftiniji, i može se upotrebljavati na svim mjestima gdje je
pristupni “prozor” u tijelo dovoljno velik. Ako je akusticki prozor uzak, ili se mora
pretraživati u stranu (postrance), onda moramo upotrebiti sektorsko pretraživanje.


Pri pretragama plitkih organa interferencijsko podrucje u blizini sonde (blisko
polje) negativno utjece na kvalitetu slike, pa treba upotrijebiti “odstojnu stazu” (sloj
vode ili gela). Tako stvoreni sloj pomoci ce pri izbjegavanju mjehurica zraka na putu
valovima.

KOMPENZACIJA PRIGUŠIVANJA I SIVA SKALA

Ultrazvuk se apsorbira i raspršuje u tijelu, pa su stoga odjeci od struktura dubljih
u tijelu slabiji nego odjeci struktura bližih površini. Buduci da je za dijagnostiku važno
da se jednaki reflektori prikažu jednakima na slici, prigušenje se mora kompenzirati
elektronickim putem. Zbog toga se u kopmenzacionom pojacalu više pojacavaju odjeci
od dubljih struktura, nego oni od plicih. Razlika u pojacanju za dublje i plice strukture
može se mijenjati vanjskim kontrolama i bitno je da rukovatelj uredajem zna kako i
zašto to radi. Ako je tkivo više apsorbirajuce, mora se razlika pojacanja prednjih i
stražnjih odjeka uciniti vecom. Pored toga, postoji još i mogucnost da se mijenja
ukupno pojacanje, dakle u jednakoj mjeri za prednje i stražnje odjeke.
Posebno je moguce upravljati i rasponom velicina odjeka koji se na ekranu
prikazuju “sivom skalom”. Jaci se odjeci prikazuju svjetlijim, a slabiji tamnijim
tockama. Taj se raspon naziva dinamikom prikaza, i što je dinamika veca, slika je
plasticnija. Slika uže dinamike je kontrastnija i pogodnija za geometrijska mjerenja.
DOPPLER SISTEMI

Doppler efekt se upotrebljava za mjerenje brzine protoka krvi na nekoliko nacina.
Ultrazvuk se može kontinuirano odašiljati i primati, ili pak u kratkim impulsima. Ako se
ultrazvuk odašilje kontinuirano, sistem odlicno mjeri sve brzine, ali nema dubinskog
razlucivanja. Ako se upotrebljavaju impulsi, onda imamo dubinsko razlucivanje
(možemo birati krvne žile po dubini), ali su moguce velike pogreške u mjerenju velikih
brzina duboko u tijelu.
Rezultati mjerenja se prikazuju spektrima na kojima je na ordinati prikazan
Dopplerov pomak, a na apscisi tekuce vrijeme. Iz spektara se mogu izracunati
apsolutne brzine protoka, ako poznamo kut izmedu snopa ultrazvuka i protoka. Ako taj
kut nije poznat, a nije blizu 900 , kad mjerenje nije moguce, ipak se mogu dobiti važni
podaci o otporu i elasticnosti krvožilnog sustava. Za to su definirani posebni relativni
indeksi.
Ako se za Doppler mjerenje upotrijebe dvodimenzionalno rasporedeni impulsi,
moguce je dobiti dvodimenzionalni semikvantitativni prikaz protoka kodiran u bojama.
Protok prema sondi se prikazuje npr. tonovima crvene boje, a protok od sonde tonovima
plave boje. Ovaj sistem znatno ubrzava snalaženje u mjerenju protoka.


NEKI PROBLEMI UPOTREBE ULTRAZVUCNIH UREÐAJA

Bitnu ulogu u detaljnosti i tocnosti ultrazvucne dijagnostike igra razlucivanje
detalja. Razlucivanje nekog ultrazvucnog uredaja (ehoskopa) može se definirati kao
najmanja udaljenost dvaju reflektora u tijelu koji se na ekranu mogu prepoznati kao
odvojeni.


Razlucivanje dijelimo na : lateralno (postranicno)
aksijalno (dubinsko)
Lateralno razlucivanje ovisi o debljini snopa. Na višim frekvencijama lakše je
postici uski snop, ali je i prodornost smanjena. Za preglede djece se
upotrebljavaju frekvencije 5 do 7 MHz, a za odrasle 3 do 5 MHz. Ako
radimo smanjenom osjetljivošcu uredaja onda slabe reflektore
(parenhim) gubimo iz slike, ali je lateralno razlucivanje za preostale,
jace, reflektore bolje. Fokusiranje utjece na lateralno razlucivanje, pa
kod uredaja gdje možemo podesiti fokus, treba fokus namjestiti na
dubinu od interesa. Ako se radi sa sondama fiksnog fokusa, onda valja
odabrati odgovarajucu sondu. U tome treba posebice voditi racuna
pri nabavi ultrazvucnog uredaja, jer je cijena sonde bitni dio cijene
uredaja.
Aksijalna rezolucija je redovito znatno bolja od lateralne i za prikaz tankih
struktura (primjerice tankih krvnih žila) treba sondu uvijek orjentirati
tako da žila tece poprijeko na ultrazvucni snop.

Razlucivanje nije jednako za veliki kontrast prema okolini (cisticne tvorbe) i slabi
kontrast prema okolini (solidne tvorbe). Tamo gdje se ciste od 4 mm sigurno mogu
pronaci, solidne tvorbe dimenzije 9 mm se otkrivaju relativno teško. Cisticne tvorbe su
podrucja ispunjena tekucinom ili zrakom unutar organa, te se uslijed promjene medija
kroz koji prolazi snop bolje uocavaju.
Kod danas uobicajenih ultrazvucnih uredaja za stvaranje slike se koristi samo
amplituda (intenzitet) odjeka, dok se podaci o fazi i kutu raspršenja uglavnom gube.
Ipak se iskustvom može razlikovati tekstura tkiva, te se tako provodi jednostavna
karakterizacija tkiva. Ta se karakterizacija provodi u odnosu na ostale strukture na
slici, i na osnovi klinickog iskustva, pa je stoga relativnog karaktera. U zadnje se
vrijeme puno radi na istraživanju egzaktnijih metoda karakterizacije tkiva, na osnovi
spektralnih karakteristika odjeka i mjerenjem raspodjele brzina širenja. Ova
istraživanja još nisu dala prakticne rezultate.