USG medyczne
Co to jest USG
Ultradźwięki niewiele różnią się od znanych nam fal dźwiękowych, poza tym, że nie słyszymy ich „dźwięku”. Gdy częstotliwość fal dźwiękowych przekracza 20 kHz, czyli wykracza poza zakres odbierany przez normalnych ludzi, ten rodzaj fal dźwiękowych nazywa się ultradźwiękami. Podobnie, jeśli częstotliwość fali dźwiękowej jest niższa niż zakres słyszany przez ludzi, jest to fala infradźwiękowa. Tak więc w innych właściwościach fizycznych fale ultradźwiękowe są w zasadzie takie same jak fale dźwiękowe. Ultradźwięki/fala dźwiękowa to rodzaj fali mechanicznej, fali podłużnej i fali ciśnieniowej. Jest propagowany przez drgania cząstek, a drgania cząstek będą nadal generować obszary o stosunkowo wysokim i niskim ciśnieniu (jak pokazano na poniższym rysunku), a kierunek drgań jest zgodny z kierunkiem propagacji, więc propagacja fal ultradźwiękowych wymaga medium. W różnych mediach prędkość fal ultradźwiękowych jest inna. Na przykład prędkość w powietrzu wynosi około 340 metrów na sekundę, w ludzkim ciele około 1540 metrów na sekundę, a prędkość w próżni 0. Ultradźwięki mają szerokie zastosowanie, zwłaszcza w medycynie. Jako metoda nieradioaktywna, ultradźwięki mogą pomóc lekarzom w lepszym diagnozowaniu pacjentów. Zostanie on szczegółowo rozwinięty później.
Jak wygenerować ultradźwięki
Generowanie fal ultradźwiękowych i generowanie fal dźwiękowych opiera się na tej samej zasadzie. W przypadku fal dźwiękowych zwykle używamy telefonu jako przykładu. Podczas mówienia dźwięk (energia mechaniczna) jest przekształcany w sygnały elektryczne (energia elektryczna), które przemieszczają się na drugi koniec, a następnie podczas słuchania sygnały elektryczne są przekształcane z powrotem w dźwięk. Jest to dokładnie to samo, co proces generowania i odbierania fal ultradźwiękowych, a ich zasadą jest efekt piezoelektryczny. Efekt piezoelektryczny polega na tym, że niektóre materiały, takie jak kwarc, będą generować pewien stopień napięcia na ich powierzchni, gdy zostaną poddane naciskowi mechanicznemu; a jeśli przyłożymy napięcie do jego powierzchni, spowoduje to pewne mechaniczne odkształcenie. Następnie poprzez precyzyjną kontrolę sygnału elektrycznego możemy generować i odbierać fale ultradźwiękowe. Obecnie PZT jest najczęściej stosowanym materiałem w przyrządach ultradźwiękowych. W normalnej pracy przyrządu fale ultradźwiękowe zwykle występują w postaci impulsów, a nie fal ciągłych, więc na ogół PZT odbiera sygnał impulsu elektrycznego, generuje falę ultradźwiękową, a następnie zaczyna monitorować, a odbiór zwraca jeden po kolejnym. Sygnały ultradźwiękowe są przekształcane na odpowiednie sygnały elektryczne w celu dalszego przetwarzania danych, a cykl jest powtarzany aż do zakończenia skanowania.
Propagacja ultradźwięków w ludzkim ciele
Jak wspomniano wcześniej, prędkość fal ultradźwiękowych w ludzkim ciele wynosi około 1540 metrów na sekundę, co w rzeczywistości jest wartością średnią i jest również prędkością kalibracji używaną w większości przypadków przez instrumenty ultradźwiękowe. Jak zostanie wspomniane dalej, obrazowanie ultrasonograficzne opiera się na szacowaniu prędkości ultradźwięków, a jego dokładność będzie miała bezpośredni wpływ na jakość obrazu. Wtedy dla różnych narządów i tkanek prędkość transmisji jest różna. Na przykład w mózgu wynosi około 1510 metrów na sekundę, w wątrobie i nerkach około 1560 metrów na sekundę, w mięśniach 1570 metrów na sekundę itd. Nie różnią się one zbytnio od średniej. Jednak prędkość ultradźwiękowa tłuszczu wynosi tylko około 1440 metrów na sekundę. Ta różnica prędkości powoduje, że jakość obrazu ultradźwiękowego znacznie spada u pacjentów otyłych, więc w takim przypadku przyrząd ponownie skalibruje lub dynamicznie dostosuje prędkość.
Ponieważ ultradźwięki są rodzajem fali, będą również wytwarzać związane z falami zjawiska fizyczne w różnych tkankach i narządach podczas propagacji ludzkiego ciała. Zjawiska te są podstawą obrazowania za pomocą ultradźwięków. Głównie transmisja, odbicie, rozpraszanie i załamanie. Kiedy PZT emituje fale ultradźwiękowe i natrafia na ludzkie organy/tkanki, część fal może wniknąć i dalej rozchodzić się w głąb ludzkiego ciała wzdłuż pierwotnego kierunku, którym jest transmisja, a energia fal zostanie w tym procesie częściowo pochłonięta; pozostała część fal Powracająca w przeciwnym kierunku i odbierana przez PZT ta część jest falą odbitą, a sygnał tych fal odbitych jest głównym surowcem do obrazowania; energia fal rozproszonych jest zwykle bardzo mała, a załamane fale będą zakłócać obrazowanie. Zasadniczo zdolność przenoszenia ultradźwięków i zdolność organów/tkanek do pochłaniania ultradźwięków określa, jak głęboko ultradźwięki mogą „widzieć”. Ponieważ im niższa częstotliwość, tym silniejsza penetracja ultradźwięków, więc gdy lekarze muszą widzieć głębiej, często stosuje się detektor o niższej częstotliwości (przetwornik), ale niska częstotliwość zwykle powoduje pogorszenie jakości obrazu. Jest to kompromis, który należy podjąć i zostanie omówiony szczegółowo później, gdy będziemy mówić o detektorach.
Wprowadzenie do obrazowania ultrasonograficznego w medycynie
Wraz z pogłębianiem się potrzeb badawczych i medycznych obrazy ultrasonograficzne zmieniły się z tylko 1D na 3D/4D. Instrumenty ultradźwiękowe mogą teraz obsługiwać różne tryby obrazowania, aby zaspokoić potrzeby różnych pacjentów i lekarzy. Poniżej przedstawiono kilka głównych trybów obrazowania.
Tryb A: Jest to tak zwany tryb 1D, który jest najprostszym trybem. Detektor emituje falę fal ultradźwiękowych w określonym kierunku, a instrument przedstawia równanie między odbitym sygnałem a głębokością, a obraz jest podobny do sygnału, który zwykle widzimy na oscyloskopie. Tryb A był głównym trybem wczesnych instrumentów ultradźwiękowych i jest obecnie rzadziej używany, ale może być również używany do kierowania falami o wysokiej energii w leczeniu guzów podczas operacji.
Tryb B: B to tutaj jasność. W tym trybie detektor skanuje obszar i generuje obraz 2D w skali szarości. Jest to jeden z najczęściej używanych trybów. Im jaśniejszy kolor (biały), tym silniejszy sygnał odbity, na ogół powierzchnia organu/tkanki, a im ciemniejszy kolor (czarny), tym słabszy sygnał odbity.
Tryb M: M to tutaj ruch. W trybie ruchu przyrząd wykonuje szybkie skanowanie i obrazowanie w trybie B, dzięki czemu lekarz może zobaczyć ruch narządu, co jest szczególnie ważne w diagnostyce związanej z sercem.
Tryb Dopplera: tryb Dopplera, nazwany na cześć wykorzystania zjawiska Dopplera do pomiaru prędkości poruszających się obiektów. W trybie Dopplera lekarze mogą monitorować przepływ i kierunek krwi, aby zidentyfikować ewentualne zmiany w naczyniach krwionośnych.
Color Doppler: Ten tryb można po prostu rozumieć jako tryb B/M-mode plus Doppler, co oznacza, że na podstawie obrazów 2D w skali szarości tryb dopplerowski i kalibracja kolorów są używane do wyświetlania pozycji, przepływu krwi, szybkości przepływu i kierunek naczyń krwionośnych.
3D/4D: tryb 3D to obraz 3D, który może przedstawiać narządy/tkanki. Jeśli chodzi o 4D, jest to obraz 3D w czasie rzeczywistym. Chociaż wiele zaawansowanych instrumentów ultradźwiękowych wykorzystuje tryby 3D i 4D, na ogół nie są one często używane.
