Podstawy obrazowania USG część 1 Monika Jędrzejewska, Piotr Jankowski, Bartosz Węckowski

Transkrypt

1 Podstawy obrazowania USG część 1 Monika Jędrzejewska, Piotr Jankowski, Bartosz Węckowski Polskie Towarzystwo Inżynierii Klinicznej, ul. Naramowicka 219a/18, Poznań, tel , mjedrzejewska@o2.pl Badanie ultrasonograficzne (USG) jest najczęściej wykorzystywaną metodą diagnostyki chorób wnętrza ciała. Pozwala na obserwację przestrzeni anatomicznych oraz wielkości, kształtów i położenia organów oraz ich wnętrza. Zaletą tej metody jest nieinwazyjność oraz bezpieczeństwo stosowania dla pacjenta, nawet w krótkich odstępach czasowych pomiędzy badaniami. Diagnostyczna możliwość zobrazowania odpowiedniej struktury uwarunkowana jest w dużej mierze zastosowaniem dedykowanej sondy. Potrzeba poprawiania obrazu USG ciągle wymusza konstruowanie nowych, anatomicznie dopasowanych konstrukcji sond. W artykule przedstawiono zasady działania aparatu USG oraz wyjaśniono zjawiska występujące podczas badania ultradźwiękami. Podstawą działania aparatury ultrasonograficznej jest ruch falowy, który odbywa się na zasadzie przekazywania części energii drgającej kolejnym cząstkom danego ośrodka. Pod wpływem siły przyłożonej z zewnątrz, makrocząsteczka zostaje przesunięta ze stanu równowagi, jednak na skutek sił sprężystych i bezwładnościowych ośrodka jest zmuszona do ruchu powrotnego. Wykonuje drgania wokół położenia równowagi. Energia cząsteczki zostaje przekazana z opóźnieniem innym cząsteczkom, wobec czego ruch drgający w danym ośrodku przesuwa się z określoną prędkością. Omówione zjawisko przekazywania energii nazywa się ruchem falowym, a prędkość jego rozchodzenia zależy od prędkością fali. Rozchodzenie się fal ultradźwiękowych zależy od układów generujących drgania, intensywności fal ultradźwiękowych oraz przede wszystkim od budowy strukturalnej i właściwości mechanicznych ośrodków materialnych. Fale ultradźwiękowe są drganiami mechanicznymi o częstotliwościach większych niż 20 khz, rozchodzącymi się w ośrodkach stałych, ciekłych i gazowych. Ultradźwięki można rozpatrywać jako falę ciśnienia lub jako przekazywanie energii dalszym cząsteczkom ośrodka. Wraz z przekazywaniem ruchu drgającego następuje przekazywanie energii. W aparatach ultradźwiękowych wykorzystuje się głównie fale o częstotliwościach od 2 MHz do 15 MHz. Fale ultradźwiękowe rozchodzące się w wodzie i w tkankach miękkich są falami podłużnymi. W tkankach miękkich charakteryzujących się pewną niewielką sprężystością postaciową, mogą również propagować fale poprzeczne. Z kolei w tkankach kostnych mogą być wytwarzane fale poprzeczne, podłużne lub powierzchniowe. Rozważyć należy znaczenie takich wielkości fizycznych jak ciśnienie akustyczne, natężenie dźwięku, temperatura, prędkość drgających cząsteczek. Natężenie dźwięku lub inaczej natężenie fali dźwiękowej (w tym przypadku jest to bardziej trafne określenie) jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy i kwadratu pulsacji. Należy zaznaczyć, że jest to czynnik działający niekorzystnie na badane tkanki. Pojęcie to obejmuje stosunek mocy danej fali ultradźwiękowej do powierzchni prostopadłej w kierunku jej rozchodzenia się. Inżynier i Fizyk Medyczny 2/2014 vol. 3 69

2 ultrasonografia \ ultrasonography artykuł \ article W diagnostyce, ze względu na bezpieczeństwo badanych pacjentów, stosuje się niewielkie natężenie fali. Należy brać pod uwagę również fakt zmniejszania się natężenia wraz ze wzrostem głębokości wnikania ultradźwięków. Ważnym parametrem fali ultradźwiękowej jest jej prędkość, która zależy od sprężystych i bezwładnościowych właściwości ośrodka. Nie zależy natomiast, w przypadku diagnostycznego zastosowania ultradźwięków, od częstości przekazywanych ośrodkom drgań. Prędkości fal we krwi, tkankach miękkich oraz w wodzie mają podobne wartości. W tkance kostnej prędkości rozprzestrzeniających się fal są zbliżone do prędkości w ciałach stałych. Prędkość w materii żywej zależy od złożonych czynników, takich jak wielkość i kształt, wzajemne przestrzenne oddziaływanie cząsteczek ośrodka oraz ciśnienie. Prędkość fal w tkankach wiąże się również z ich stanem czynnościowym oraz składu biochemicznego tkanek. Prędkość rozchodzącej się fali ultradźwiękowej zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości płynu w tkance i odwrotnie zmniejsza się, kiedy tkanka jest słabo ukrwiona. Dla scharakteryzowania ośrodków sprężystych, wprowadza się także pojęcie oporności akustycznej właściwej. Jest to reakcja ośrodka na przemieszczającą się w nim falę ultradźwiękową. Pojęcie oporności akustycznej właściwej jest pomocne przede wszystkim w ilościowym opisie odbicia fal ultradźwiękowych. Fale sprężyste podlegają różnym zjawiskom fizycznym podczas propagacji przez tkanki. Podstawowym zjawiskiem jest propagacja fali ultradźwiękowej. Propagacja dotyczy przechodzenia i rozprzestrzeniania się fal ultradźwiękowych w różnych tkankach. Znaczne różnice w sposobie oddziaływania fali ultradźwiękowej z tkankami powodują powstanie różnych fal. W tkankach miękkich fala rozchodzi się w postaci fali podłużnej. Zjawiska fizyczne Zjawisko odbicia fali ultradźwiękowej Zjawisko zachodzące przy padaniu fal ultradźwiękowych na granicę oddzielającą dwa ośrodki, w których warunki rozdzielenia tych fal są różne, polegające na tym, że fala dochodząca do owej granicy nie wnika do drugiego ośrodka, lecz pozostaje w pierwszym ośrodku zgodnie z prawem załamania, zmieniając jedynie swój kierunek zgodnie z prawem odbicia. Fala zazwyczaj zostaje skierowana z powrotem. Ważnym pojęciem, które powinno być poruszone przy zjawisku odbicia, jest zjawisko załamania. Impedancja akustyczna Impedancja akustyczna to inaczej wspomniana już wcześniej oporność akustyczna. Jest bardzo pomocna w ilościowym ujęciu zjawiska odbicia, które następuje wówczas, gdy sąsiadujące ze sobą tkanki mają różne oporności akustyczne. Im większa różnica w impedancji, tym większe odbicie fali. Ze względu na niewielkie różnice w gęstości tkanek miękkich i płynów ustrojowych, echa uzyskane z tych obszarów są również niewielkie. Niekiedy intensywne odbicie fali może być pomocne w umiejscowieniu ciał stałych w tkankach miękkich (np. kamienie żółciowe nerkowe, wkładka antykoncepcyjna). Jakość otrzymywanych ech, a tym samym obrazów ultrasonograficznych, zależy w znacznym stopniu od rodzaju powierzchni odbijającej oraz jej położenia w stosunku do wiązki ultradźwiękowej. Energia uzyskanych fal powracających do głowicy ultradźwiękowej jest tym mniejsza, im większe jest odchylenie od prostopadłego przebiegu fal. Jest to ściśle związane z jakością uzyskanych obrazów. W badaniach ultrasonograficznych narządów wewnętrznych wiązka ultradźwięków napotyka najczęściej struktury o nierównych powierzchniach. Zjawisko załamania Fala ultradźwiękowa, przechodząc do drugiego ośrodka o innej oporności akustycznej właściwej, zmienia kierunek swojego biegu. Efekt ten nazywamy załamaniem fali. Wielkość odchylenia, jak wynika z prawa załamania, zmienia się wraz z wartością kąta padania. Zjawisko załamania fali ultradźwiękowej w tkankach miękkich jest do pominięcia ze względu na porównywalne wartości ich oporności akustycznej właściwej. Zjawisko ugięcia Fala ultradźwiękowa rozchodząca się w danym ośrodku, w pobliżu struktury o innej gęstości, może ulec ugięciu. Zjawisko to jest tym silniejsze, im większa jest długość fali w porównaniu z wymiarami przeszkody. Zjawisko interferencji Ze względu na niejednorodność tkanek, poszczególne części wiązki ultradźwiękowej przechodzą przez nie z różnymi prędkościami. Powstają zatem różnice faz pomiędzy poszczególnymi częściami wiązki, a interferencja fal powoduje częściowe jej wygaszenie. Zjawisko rozproszenia Rozpraszanie fal ultradźwiękowych polega na przemianie fali pierwotnej w zbiór fal rozchodzących się we wszystkich możliwych kierunkach. Zjawisko to zachodzi w wyniku oddziaływania z napotkanymi po drodze przeszkodami. Rozpraszanie przyczynia się do osłabienia wiązki ultradźwiękowej rozchodzącej się w tkankach. Gdy struktury rozpraszające mają wymiary porównywalne z długością fali ultradźwiękowej A, może wystąpić rozpraszanie Tyndala. Anizotropia Anizotropia polega na uprzywilejowaniu pewnego kierunku rozchodzenia się fali w tkance mięśniowej w zależności od układu włókien. Zjawisko to daje gwarancję dobrej rozdzielczości, a niekiedy nawet dobre uwidocznienie poszczególnych mięśni. Zjawisko absorpcji Fale ultradźwiękowe są w tkankach nie tylko odbijane i rozpraszane, lecz także przez nie pochłaniane. Pochłanianie 70 vol. 3 2/2014 Inżynier i Fizyk Medyczny

3 ultradźwięków można modelować, wyobrażając sobie cząsteczki wewnątrz danego narządu jako źle napompowane piłki. Podczas zderzeń takich piłek (zderzenia niesprężyste), dochodzi do strat energii kinetycznej, która następnie jest zamieniana na ciepło. Utratę energii ultradźwięków wskutek niesprężystych oddziaływań pomiędzy molekułami ośrodka określa się jako absorpcję. Absorpcja powoduje, że amplituda oraz natężenie fali ultradźwiękowej zmniejszają się w miarę wnikania fali w ciało pacjenta. Absorpcja zależy od częstotliwości ultradźwięków; rośnie wraz z częstotliwością. W przypadku wątroby czy nerek omawiana zależność jest w przybliżeniu liniowa, tzn. absorpcja ultradźwięków rośnie proporcjonalnie do ich częstotliwości. W wyniku tego wzrost częstotliwości ultradźwięków powoduje zawsze szybszy spadek ich amplitudy (a więc i natężenia) w tkankach. Na skutek absorpcji energia mechaniczna fali ultradźwiękowej zamieniana jest na ciepło. Tłumienie fali Rozprzestrzeniająca się fala ultradźwiękowa ulega osłabieniu, a tym samym zmniejsza się amplituda wychyleń drgających cząsteczek. Jest to zauważalne w materii niejednorodnej. Osłabienie wiązki fali ultradźwiękowej przy przechodzeniu przez ciało ludzkie jest związane z pochłanianiem energii akustycznej w wyniku tarcia wewnętrznego. Prowadzi to do zmiany energii fali w energię cieplną. Należy jednak podkreślić, że w badaniach diagnostycznych zjawisko to ma niewielkie znaczenie. W wielu tkankach następuje rozproszenie fali ultradźwiękowej, np. w łożysku oraz tkance tłuszczowej. Fala ultradźwiękowa rozchodząca się w ośrodku biologicznym ulega tłumieniu. Amplituda ciśnienia akustycznego fali maleje wykładniczo wraz z grubością warstwy ośrodka. Zjawisko Dopplera Kiedy obserwator porusza się w kierunku źródła dźwięku, słyszy dźwięk wyższy (o większej częstotliwości) niż w spoczynku, gdy zaś oddala się od tego źródła, słyszy dźwięk niższy. Podobne efekty obserwowane są w ultrasonografii. Jeżeli wiązka ultradźwiękowa jest odbita od ruchomego obiektu, np. krwinki, obiekt ten można traktować jako ruchome źródło. W konsekwencji rejestruje się falę, której częstotliwość jest zmieniona względem częstotliwości fali nadanej. Częstotliwość fali odbitej przez ruchomą krwinkę można obliczyć. W przypadku, gdy wiązka fal ultradźwiękowych jest wysyłana w kierunku nieruchomego reflektora, częstotliwość fal odbitych (echa) będzie równa częstotliwości fal wysyłanych. Jeśli jednak reflektor będzie poruszał się w kierunku nadajnika fali, częstotliwość fali odbitej wzrośnie, a gdy reflektor oddala się, częstotliwość fali odbitej maleje. Różnica pomiędzy częstotliwością fali wysyłanej i odbieranej jest proporcjonalna do prędkości, z jaką reflektor oddala się lub przybliża do nadajnika. Efekty oddziaływania fal ultradźwiękowych zmaterią Do podstawowych zjawisk występujących podczas oddziaływania fal ultradźwiękowych z materią, zalicza się efekty termiczne, mechaniczne, chemiczne i biologiczne. Efekty termiczne Pojawienie się efektów termicznych związane jest z pochłanianiem energii fali ultradźwiękowej przechodzącej przez ośrodek lepko-sprężysty, w którym następuje przekształcenie energii kinetycznej na energię cieplną. Wartość wytwarzanej energii cieplnej jest zależna od natężenia fali oraz czasu jej działania. Dla tkanek miękkich wystąpienie efektów termicznych jest najbardziej prawdopodobne przy niskich częstotliwościach megahercowych i przy średnich natężeniach fali. Fala o częstotliwości 1 MHz i natężeniu 1 W*cm -1, generuje ciepło w tkankach miękkich z szybkością 0,1 J*s -1 *cm -3. Odpowiada to wzrostowi temperatury tkanki miękkiej o objętości 1 cm -3 o 1,44 K w ciągu 1 minuty. Efekty mechaniczne Wśród efektów mechanicznych największą efektywność mają zjawiska kawitacji i powstawania fal uderzeniowych. Zjawisko kawitacji Kawitacja polega na pojawieniu się w ośrodku pęcherzyków, które ulegają zapadaniu. Pęcherzyk kawitacyjny powstaje w wyniku chwilowego obniżenia ciśnienia w określonej objętości (np. wewnątrz cieczy) do wartości poniżej progu określonego przez siły spójności tej cieczy. W miarę zwiększania częstotliwości fali, do wywołania zjawiska kawitacji potrzebne są coraz większe jej natężenia. W zależności od amplitudy ciśnienia akustycznego, wyróżniamy kawitację trwałą i kawitację przejściową. Kawitacja trwała Odnosi się do oscylacyjnych ruchów pęcherzyków w polu akustycznym fali. Pęcherzyki kawitacyjne mające tendencję do wzrostu, po osiągnięciu pewnych rozmiarów mogą stać się pęcherzykami rezonansowymi (drgania rezonansowe). Przy niskich natężeniach fali pęcherzyki mogą istnieć bardzo długo, a amplituda ich oscylacji przekracza o kilka rzędów amplitudę fali ultradźwiękowej przechodzącej przez ośrodek. Kawitacja przejściowa Zachodzi przy średnich i dużych natężeniach fali. Do wystąpienia tego zjawiska potrzebna jest obecność w ośrodku trwałych zarodzi gazowych, mniejszych od pęcherzyków rezonansowych. W przypadku gdy ciśnienie akustyczne jest większe niż 1 atmosfera, pęcherzyki zaczynają drgać nieliniowo. W pewnych Inżynier i Fizyk Medyczny 2/2014 vol. 3 71

4 ultrasonografia \ ultrasonography artykuł \ article warunkach pęcherzyki mogą gwałtownie powiększać się, a następnie zapadać z prędkością zbliżoną do prędkości dźwięku. W fazie poprzedzającej bezpośrednio zapadnięcie się pęcherzyka, temperatura zawartego w jego wnętrzu gazu może sięgać kilku tysięcy kelwinów. Warunki takie sprzyjają powstawaniu jonów i wolnych rodników. Przy zapadaniu się pęcherzyków kawitacyjnych powstają fale uderzeniowe wykazujące duże działanie niszczące. Fala uderzeniowa jest frontem nagłego wzrostu temperatury, gęstości i prędkości ośrodka. Efekty chemiczne Ultradźwięki mogą wywoływać szereg reakcji chemicznych. Należą do nich reakcje utleniania wywołane uprzednim utworzeniem H2O2 czy też reakcje redukcji, prowadzące np. do powstawania azotynów z azotanów. Pierwotną przyczyną takich reakcji są kawitacje oraz pseudokawitacje wywołujące duże miejscowe wzrosty temperatury i w ich wyniku jonizację. Ultradźwięki mogą też tym razem niezależnie od pseudokawitacji wywoływać polimeryzację takich makromolekuł, jak polisacharydy, białka i DNA. W wypadku DNA efekt ten wykazano jednakże tylko in vitro na izolowanym materiale. Nie udało się go wykazać w nietkniętych jądrach komórkowych. Efekty biologiczne Skutki biologiczne można podzielić na: uszkodzenia tkanek, martwice tkanek, krwawienia, skutki genetyczne, w tym: teratogenność i mutagenność. Budowa i zasada działania aparatury ultrasonograficznej Główną zaletą ultrasonografii jest możliwość diagnozowania tkanek miękkich. Ultradźwięki są falami o częstotliwości większej niż 16 khz, przy czym w celach diagnostycznych wykorzystuje się zakres 2,5-20 MHz. Badania ultrasonograficzne oparte są na zjawisku odbicia fali ultradźwiękowej w czasie jej przechodzenia przez ośrodki o różnej oporności akustycznej. Na wielkość impedancji akustycznej danego ośrodka wpływa jego gęstość, właściwości absorpcyjne oraz długość powstającej w nim fali. Źródłem fal ultradźwiękowych są przetworniki, w których wykorzystuje się zjawiska piezoelektryczne. Przetwornik jest stosowany do nadawania i odbioru fal ultradźwiękowych. W przetwornikach stosuje się materiały o właściwościach piezoelektrycznych; kwarc, siarczan litu, cyrkonian ołowiu, tytanian baru, nioban ołowiu i inne. Zjawisko piezoelektryczne zostało odkryte przez braci Curie. Odkryli, że jeśli działa się siłą na odpowiednie, przeciwległe ścianki kryształu polaryzowalnego (np. kwarcu), to ulega on deformacji, a między ściskanymi ściankami pojawia się różnica potencjałów elektrycznych (napięcie). Napięcie to wiąże się z uzyskaniem przez obie ścianki ładunków elektrycznych przeciwnych znaków. Może ono być rejestrowane, a jego wartość zwiększa się wraz z ciśnieniem. Zjawisko to jest odwracalne, tzn. przyłożenie do (odpowiednich) ścianek kryształu polaryzowalnego napięcia zmiennego o określonej częstotliwości, wywołuje w krysztale drgania mechaniczne o takiej samej częstotliwości (odwrotne zjawisko piezoelektryczne). Drgania te rozchodzą się następnie wokół kryształu i wnikają do ciała pacjenta jako fala ultradźwiękowa. Po wysłaniu krótkiego impulsu ultradźwiękowego przez kryształ, można wykorzystać zjawisko piezoelektryczne (zachodzące w tym samym krysztale) do odbioru echa wytwarzanych w ciele pacjenta drgania mechaniczne kryształu wywołane odbitymi ultradźwiękami spowodują drgania elektryczne o takiej samej częstotliwości, które następnie rejestrowane jest jako sygnał napięciowy. Głowice ultradźwiękowe mogą zawierać jeden przetwornik piezoelektryczny nadawczo-odbiorczy lub dwa niezależne przetworniki, jeden z nich spełnia wówczas rolę przetwornika nadawczego, a drugi odbiorczego. Elementy piezoelektryczne pobudzane są do drgań przez zmienne napięcie elektryczne panujące pomiędzy przyłożonymi do kryształu elektrodami. Jeżeli rozchodzące się w ośrodku zaburzenie mechaniczne (impuls ultradźwiękowy) dotrze do przetwornika odbiorczego, wywołując zmiany jego grubości, powstanie różnica potencjałów, przekazywana dalej do układu elektrycznego odbiornika aparatury USG. Istotę nadawczo-odbiorczą głowicy ultrasonograficznej stanowią więc kryształy piezoelektryczne (ich liczba może wynosić od jednego aż do czterystu w głowicach z liniowym ułożeniem przetworników). Do ścian bocznych kryształu doprowadza się napięcie zmienne, powierzchnia zaś zwrócona ku pacjentowi jest uziemiona (poprzez jej połączenie z obudową), aby uniknąć porażenia prądowego. Od strony zewnętrznej kryształu piezoelektrycznego (tj. zwróconej ku pacjentowi), umieszcza się dwie warstwy dopasowujące. Ich zadaniem jest dopasowanie oporu akustycznego głowicy do oporu akustycznego tkanek miękkich, co pozwala uniknąć bardzo dużych strat energii podczas wnikania ultradźwięków do ciała pacjenta. W diagnostyce ultrasonograficznej wykorzystuje się impulsy ultradźwiękowe o ograniczonym czasie trwania, zwykle bardzo krótkim. Aby pobudzony do drgań kryształ mógł możliwie szybko wrócić do stanu równowagi mechanicznej, do wewnętrznej jego strony przykleja się absorber (materiał o silnych właściwościach tłumiących). Element piezoelektryczny połączony jest z jednej strony z materiałem silnie pochłaniającym fale ultradźwiękowe emitowane z tylnej części przetwornika. Głowicę ultradźwiękową przykłada się do powierzchni ciała pokrytej substancją kontaktową w celu wyeliminowania warstwy powietrza między głowicą a skórą pacjenta. Obecnie nauka dysponuje kilkoma typami głowic. Głowice liniowe W głowicach liniowych poszczególne wiązki ultradźwiękowe są równoległe, tzn. wiązka (zawsze pojedyncza) sondująca 72 vol. 3 2/2014 Inżynier i Fizyk Medyczny

5 ciało pacjenta, przesuwa się równolegle w czasie badania. Obraz otrzymywany w ten sposób ma zawsze kształt prostokąta. W przypadku głowicy liniowej na jej powierzchni znajduje się zwykle od 64 do 128 elementów piezoelektrycznych, ułożonych na prostej jeden za drugim. Przeszukiwanie liniowe jest realizowane tym razem przez sekwencyjne włączanie i wyłączanie kolejnych elementów piezoelektrycznych, sterowane elektronicznie. rynku jest kilka typów głowic Wobblera. Głowica jednoelementowa Wobblera zawiera tylko jeden kryształ piezoelektryczny. Kryształ ten jest zarówno nadajnikiem, jak i odbiornikiem echa. Głowica pierścieniowa Wobblera Element piezoelektryczny ma kształt pierścienia. Taka budowa odbiornika nadawczo- odbiorczego daje możliwości ogniskowania w dwóch wymiarach. Głowica liniowa o liniowym ułożeniu przetworników W przypadku tego typu głowicy pobudzana jest (jednocześnie) grupa elementów piezoelektrycznych. Echa powstające w tkankach przez wytworzony w ten sposób impuls ultradźwiękowy są rejestrowane przez tę samą grupę elementów i przedstawiane na odpowiedniej głębokości jako punkty o jasności zależnej od amplitudy echa w pierwszej pionowej linii obrazu. Pierwsza linia obrazu odpowiada przestrzennie półprostej. Następnie pobudzanie do drgań przesuwa się o jeden kryształ, tzn. pobudzane są następne kryształy. W ten sposób powstaje kolejna linia obrazu, przesunięta w stosunku do poprzedniej o szerokość jednego elementu piezoelektrycznego. Jeśli na powierzchni głowicy umieszczone są 64 elementy, to sekwencyjne przeszukiwanie tkanek przez grupy składające się z 4 elementów wypełnia tylko 61 linii ekranu. Z tego też względu w drugim cyklu pobudzeń impulsy są wysyłane przez grupy pięcioelementowe. Głowica konweksowa W tzw. głowicy konweksowej elementy piezoelektryczne są ułożone również liniowo, ale na fragmencie okręgu. Szerokość sondowanego obszaru zwiększa się wraz z głębokością penetracji, uzyskiwany zaś obraz ma kształt wachlarza. Głowica konweksowa łączy w sobie zalety głowicy o liniowym ułożeniu przetworników (duża powierzchnia przyłożenia, co ma duże znaczenie, gdy bada się obszary położone przygłowicowo) oraz głowicy sektorowej możliwość uzyskiwania obrazów o dużym kącie rozwarcia przez małe okna akustyczne. Głowice sektorowe W głowicach sektorowych podczas przeszukiwania liniowego wiązki ultradźwiękowe (kolejno sondujące badany przekrój) są do siebie wzajemnie równoległe. W przypadku przeszukiwania sektorowego poszczególne wiązki ultradźwiękowe są natomiast rozbieżne, ich przedłużenia zaś przecinają się w jednym punkcie. Odpowiedni obraz typu B będzie miał kształt wachlarza, jego szerokość zaś będzie się zwiększać wraz z głębokością penetracji. Mechaniczne głowice sektorowe Istnieje wiele sposobów przeszukiwania sektorowego za pomocą głowic me chanicznych. Urządzenia można podzielić na dwa typy: głowicę rotacyjną oraz głowicę Wobblera. Obecnie na Głowica rotacyjna Trzy kryształy piezoelektryczne są umieszczone na rotorze obracającym się jednostajnie wokół własnej osi, zaś przetworniki tworzą kąt 120. W obudowie głowicy znajduje się okienko przepuszczające ultradźwięki. Aktywowany przy tym jest zawsze tylko jeden kryształ, który znajduje się w danej chwili na wysokości okienka. Wysyła on impulsy ultradźwiękowe, a następnie odbiera wygenerowane przez nie echa. Jeśli proces powtarzany jest w sposób ciągły (tzn. nieustannie kryształ na przemian emituje i rejestruje ultradźwięki), tkanki są przeszukiwane sektorowo, w wyniku czego powstaje obraz o odpowiedniej geometrii. Następnie do okienka podchodzi kolejny kryształ i w podobny sposób sonduje tkanki podczas przesuwania się wzdłuż okienka. W ten sposób powstaje drugi obraz itd. Głowica rotacyjna umożliwia, bez zasadniczych trudności, uzyskiwanie 30 obrazów na sekundę. W głowicach z trzema kryształami nadawczymi powierzchnia przyłożenia ma długość około 4 cm: dzięki temu narządy położone powierzchniowo, np. pęcherzyk żółciowy, mogą być przedstawiane na ekranie w całości. Elektroniczne głowice sektorowe Zasada działania sektorowej głowicy elektronicznej z fazowym układem przetworników polega na przesyłaniu przez generator impulsów pobudzających do drgań pięć liniowo ułożonych elementów piezoelektrycznych. Impulsy te nie docierają jednak do tych elementów jednocześnie, lecz są opóźniane w każdej z kolejnych linii o jednakowy odstęp czasowy. W ten sposób elementy piezoelektryczne są pobudzane do drgań kolejno. Kiedy ostatni, piąty element zostanie pobudzony, wysyła kulistą falę ultradźwiękową. Fale kuliste wysłane przez poszczególne elementy piezoelektryczne spotykają się w przestrzeni wokół głowicy i tam nakładają się na siebie (interferują ze sobą). Ponieważ jednak zostały wyemitowane w odstępach czasowych, powierzchnia falowa fali wypadkowej, powstałej w wyniku ich interferencji, jest ułożona skośnie w stosunku do powierzchni nadawczej głowicy (i tym samym względem powierzchni ciała pacjenta). Rzecz jasna, echo wytworzone w badanym obszarze przez falę wypadkową nie dotrze do elementów 1-5 jednocześnie, gdyż różne są odległości pomiędzy tymi elementami a powierzchnią graniczną wytwarzającą echo. Odbiorcze sygnały napięciowe wytworzone przez echo w elementach 1-5 muszą zatem być odpowiednio ( odwrotnie w stosunku do opóźnienia sygnałów nadawczych) przesunięte w czasie tak, aby jednocześnie dotarty do wzmacniacza. Tylko w ten sposób urządzenie Inżynier i Fizyk Medyczny 2/2014 vol. 3 73

6 ultrasonografia \ ultrasonography artykuł \ article może uzyskać informację o rzeczywistej amplitudzie echa mającej wartość diagnostyczną. Mała powierzchnia przyłożenia elektronicznej głowicy sektorowej z fazowym układem przetworników powoduje, że głowica taka nadaje się szczególnie w sytuacjach, gdy można wykorzystać tylko małe okna akustyczne, np. przestrzenie międzyżebrowe podczas badania serca. Głowice specjalne Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów głowic o specjalnym zastosowaniu. Zwykle są to głowice doodbytnicze lub głowice dopochwowe stosowane w ginekologii, a także głowice umożliwiające bezpośredni dostęp do narządów. W takich głowicach głębokość obrazowania może być mniejsza, co umożliwia użycie wyższych częstotliwości. Zwiększenie częstotliwości ultradźwięków poprawia rozdzielczość osiową prezentacja 3D. Informacje potrzebne do konstrukcji odpowiedniego obrazu trójwymiarowego można otrzymywać w wyniku użycia np. mechanicznej głowicy sektorowej Wobblera. Przez powolne odchylanie głowicy od pierwotnego kierunku jej przyłożenia, wytwarza się serię obrazów typu B, przekrojów leżących w określonej objętości ciała pacjenta. Obrazy dwuwymiarowe są następnie analizowane przez procesor i mogą być składane w obraz trójwymiarowy. W odniesieniu do każdego punktu leżącego w objętości ciała, możliwe jest przedstawienie na ekranie monitora każdego z trzech, wzajemnie prostopadłych przekrojów zawierających punkt. Obrazy objętości ciała pacjenta analizowanej przez urządzenie mogą być przedstawiane jako trójwymiarowe prześwietlenie. Głowice dopochwowe 3D o częstości znamionowej 7,5 MHz dysponują kątem rozwarcia 100 stopni. Ważnym parametrem ultrasonografu jest jego zdolność rozdzielcza, która odpowiada za poprawę jakości obrazu, lepszą ostrość oraz odwzorowanie narządu. W ultrasonografach analizowane są dwa rodzaje zdolności rozdzielczej: względna i boczna lub inaczej osiowa i kątowa. Względna zdolność rozdzielcza Pozwala na rozróżnianie dwóch punktów leżących w osi wiązki; jest zdefiniowana jako odwrotność najmniejszej odległości dwóch punktów, wciąż obserwowanych jako oddzielne. Im krótszy impuls, tym mniejsza odległość pomiędzy dwoma obiektami wytwarzającymi dwa sygnały echa, a co za tym idzie zwiększa się zdolność rozdzielcza aparatury. Rośnie ona wraz ze wzrostem częstotliwości. Boczna zdolność rozdzielcza Oznacza możliwość rozróżnienia dwóch punktów leżących w jednakowej odległości osiowej od przetwornika, lecz usytuowanych w różnych kierunkach. Zależy od szerokości wiązki ultradźwiękowej. Im mniejsza plama ogniska, tym większa zdolność rozdzielcza. Na ogół zdolność rozdzielcza osiowa jest większa od rozdzielczości kątowej. Ważnym parametrem przy odtwarzaniu obrazu ultrasonograficznego jest zjawisko wzmocnienia. Echa powracające z większej głębokości nie są tak silne jak tych leżących pod powierzchnią skóry. Aby dotrzeć do tkanek i uzyskać ich obraz stosuje się wzmocnienie w układach kompensacji czasowo-amplitudowej ultrasonografu. Częstotliwość Określając częstotliwość rozchodzenia się fali, determinuje się także jej długość. Długość fali decyduje o bardzo ważnym parametrze rozdzielczości osiowej. Moc nadawcza Im większa moc nadawcza głowicy, tym mocniejsze echo powracające. Górna granica to granica bezpieczeństwa pacjenta. Wizualizacja statyczna Wizualizacja statyczna to najprostsza metoda prezentacji. Obraz uzyskuje się przez ręczne prowadzenie głowicy ultradźwiękowej. Jej ruchy przekazywane są za pomocą pantografu i potencjometrów do układu elektronicznego USG. Tym sposobem ruchy wiązki przeszukującej ciało pacjenta są odtwarzane na ekranie monitora jako echo po przekształceniu na sygnały elektryczne tworzy na ekranie jasne kontury granic tkanek. Minusem w tej metodzie jest brak możliwości obserwacji, ruchu struktur anatomicznych. Na tej zasadzie działają USG okulistyczne. Prezentacja A Na ekranie oscyloskopu pojawiają się pionowe paski. Odległości pomiędzy paskami odpowiadają granicom ośrodków. Obserwowany jest wysyłany sygnał i jego echo. Uzyskany obraz jest mało precyzyjny. Prezentacja B Prezentacja B rożni się od prezentacji A sposobem pojawienia się sygnału echa. Sygnał echa w prezentacji B pojawia się na ekranie w postaci jasnych plamek, których jasność zależy od natężenia echa. Głowica przesuwana po powierzchni ciała pacjenta daje dwuwymiarowy obraz i umożliwia uzyskanie geometrycznych zarysów granic tkanek. Wprowadzenie skali szarości umożliwia uzyskanie obrazów zarówno dużych struktur tkankowych, jak i małych struktur anatomicznych, dających echa rozproszone od wewnętrznych struktur tkankowych. Pozwala to scharakteryzować i zidentyfikować tkanki. Prezentacja M (Morion) Prezentację typu M stosuje się do ekspozycji ruchów narządów, bowiem w kolejnych transmisjach echo powraca do narządu (np. serca) będącego już w innej fazie ruchu (następne położenie powierzchni tworzących echo). Przy typowej częstotliwości powtarzania transmisji 5 khz nawet najszybszy ruch narządów zostanie dobrze odwzorowany. 74 vol. 3 2/2014 Inżynier i Fizyk Medyczny

7 Metoda prezentacji czasu rzeczywistego Metoda prezentacji czasu rzeczywistego pozwala otrzymać obraz dynamiczny dzięki temu, że wiązka ultradźwiękowa przeszukuje ciało pacjenta z regulowaną prędkością. Na ekranie powstaje ciągły obraz badanych struktur. Możliwa jest obserwacja ruchów badanych struktur, cechuje ją łatwość uzyskania obrazów w różnych przekrojach. W tej technice wykorzystuje się głowice rolujące lub układ kilku głowic, co daje w efekcie obraz sektorowy. Metody dopplerowskie W metodach dopplerowskich wykorzystuje się dodatkowo informację zakodowaną w postaci zmiany częstotliwości fali odbitej względem fali nadanej. Równoczesne stosowanie przetwornika impulsowo-echowego czasu rzeczywistego i przetwornika dopplerowskiego, umożliwia obserwację ruchu badanego narządu i dokonywanie pomiarów dynamicznych. Wprowadzenie do obrazowania koloru dodatkowo umożliwia zmniejszenie błędów związanych z techniką pomiaru. Wśród metod dopplerowskich wyróżnia się metodę fali ciągłej i metodę impulsową. W metodzie fali ciągłej nadajnik wysyła falę ciągłą. Fala rozproszona na poruszających się krwinkach zmienia swoją częstotliwość w stosunku do częstotliwości fali nadanej. Uzyskuje się w ten sposób informację o średniej prędkości przepływu krwi. Nie pozwala ona na pomiar średnicy naczynia krwionośnego ani na pomiar głębokości jego położenia pod skórą. Metoda ta dostarcza łączną informację o wszystkich strukturach leżących na drodze wiązki ultradźwiękowej. Kryształ znajdujący się z lewej strony sondy służy do ciągłego w czasie wysyłania ultradźwięków, a drugi kryształ pełni funkcję odbiornika. Emiter wysyła przez cały czas impulsy napięciowe o częstotliwości x do kryształu nadawczego, który emituje ultradźwięki w określony kąt. Drugi kryształ rejestruje cały czas echa o częstotliwości x wytwarzane w obszarze zaznaczonym czarnymi paskami. Sygnały napięciowe są wzmacniane w odbiorniku i po odpowiedniej ich obróbce przez demodulator podawane jako sygnały akustyczne o częstotliwościach dopplerowskich (słyszalnych dla człowieka) na słuchawki. W metodzie fali impulsowej fala odbita od krwinek i od ścianek naczynia powraca do nadajnika w czasie przerwy w jego pracy. Znając kąt pomiędzy kierunkiem propagacji fali a osią naczynia krwionośnego, prędkość fali i czas przejścia impulsu pomiędzy przednią i tylną ścianą naczynia, można obliczyć jego średnicę. Przyjmuje się, że niedokładność tego pomiaru związana z długością wysyłanych impulsów ultradźwiękowych (około 0,7 mm w tkance miękkiej) wynosi około 10%. Na podstawie znajomości częstotliwości fali nadanej i odbitej wyznacza się prędkość przepływu wybranej warstwy krwi. Metoda daje możliwość analizy rozkładu prędkości przepływu krwi w przekroju naczynia krwionośnego. Sonda wyposażona jest w jeden kryształ piezoelektryczny. W całym cyklu pracy kryształ nadaje impuls i następnie służy jako odbiornik ultradźwięków. Wykorzystując zależność czasu powrotu echa od głębokości, na jakiej to echo powstało, urządzenie przekazuje jedynie sygnały pochodzące z tzw. bramki. Rozdzielenie sygnału odbiorczego między dwa kanały służy określeniu kierunku przepływu. Szybka transformacja Fouriera pozwala określić rozkład prędkości w bramce i pozwala go przedstawić na ekranie monitora w postaci dopplerowskiej jako sumę elementarnych sygnałów o różnych częstotliwościach i natężeniach. Informacja o prędkości krwi przepływającej w naczyniach może być przedstawiana za pomocą kolorowej mapy przekroju danej żyły czy też innego naczynia krwionośnego. Bibliografia 1. A. Nowicki: Wstęp do ultrasonografii podstawy fizyczne i instrumentacja, Medipage, Warszawa F. Jaroszczyk: Biofizyka medyczna, Wydawnictwo Uczelniane Akademii Medycznej im. Karola Marcinkowskiego, M. Nałęcz (red.): Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000, 9, 2000, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT. Inżynier i Fizyk Medyczny 2/2014 vol. 3 75