Meditsiinidiagnostikas kasutatava ultraheli mõistetest.

Transcript

1 Ultraheli piltdiagnostilise meetodina on kindlalt juurdunud kliinilises meditsiinis. Ultraheliuuring on mitteinvasiivne ja patsiendile ohutu, kiiresti teostatav ja hõlpsasti korratav. Eelkõige on ta aga väärtuslik oma informatiivsuse poolest. Tänapäevased kõrge resolutsiooniga ultraheliaparaadid peegeldavad inimkeha pehmete kudede ja elundite anatoomiat küllalt tõepäraseltsamahästi kui mitmeid haiguslikke muutusi neis. Paljudel juhtudel piisab adekvaatse diagnoosi kinnituseks ainuüksi ultraheliuuringust. Seda nii konventsionaalse kui doppler ultraheli rakenduste puhul. Vajadusel on võimalik ultraheli kontrolli all teostada nii diagnostilisi kui ka terapeutilisi interventsionaalseid protseduure. Värvi- doppler ultraheli võimaldab lisaks reaalkujutisele elundite ja veresoonte ehhostruktuurist ammutada ka funktsionaalset infot verevoolu füsioloogiast. Verevooluspektrite kõrvalekaldumised normist kajastavad muutusi elundeis või veresoontes enestes. Meditsiinidiagnostikas kasutatava ultraheli mõistetest. Ultra- ladina eesliitena üli- tähistab sonos-ele e. helile eelnedes inimkuulmisläve ületavat kõrgsageduslikku heli. Kohati esinev saksa- vene- eesti mõiste sonograafia kui arusaam ultraheli kasutamisest (-graphein, kirjutama) meditsiinidiagnostikas on etümoloogiliselt väär. Ilma ladina prefiksita ultra- sobib sonograafia tähistama ehk patsiendilt kuuldava anamneesi üleskirjutamist. Sisule lähemal on südame ultraheliuuringute puhul kasutatav ehhokardioskoopia, s.o. sõna-sõnalt kajaga südame vaatamine. Ehho-, kaja toob esile meetodi põhiiva, ultraheli peegeldumise erineva tihedusega kudede piirilt, mis seejärel erinevate modulatsioonidega muudetakse vastuvõetavaks meie meeleelunditele. Varem homo sapiens ite poolt loodud tehnikast on imetajad nagu delfiinid ja vaalad ning nahkhiired kasutanud ehholokatsiooni looduse enda annina. Osad nahkhiired kuulevad enam kui 100 khz-se sagedusega heli, kusjuures nad ise seda heli ka tekitavad. Ultraheliaparaatidel on aga ilmtingimata vajalikuks komponendiks ultrahelianduri olemasolu, mis genereerib ja fokuseerib ultraheli impulsse (või pidevlainet), mis suunatakse uuritava kehasse. Seesama andur võtab vastu elundite ja kudede piirilt tagasipöörduvad kajad. Impulss- kaja tehnika puhul määrab aparaat peegeldavate punktide asendi impulsi suuna ja tagasisaabumiseks kuluva aja järgi. Heli levimiskiiruse järgi saab täpselt määratleda erinevate koestruktuuride sügavust. Kaja registreeritakse punktidena, mille eredus on võrdeline kaja intensiivsusega. See on B-modulatsioon, Brightness-modulation, B-mode, praegusel ajal ka enim levinud ehhosignaalide registreerimise viis. Saadava rohkete hallide varjunditega kujutise järgi nimetatakse seda õpperaamatutes ka kui gray- scale examination. Teiseks vasteks on reaalkujutis, realtime picture. Saadetavate ja saabuvate kajade jada on niivõrd kiiresti edastatav ultraheliaparaadi monitorile, et kujutise vaheldumine toimub inimsilmale tõesti sünkroonselt anduri asetsuse muutmisega. See ei tähenda, et anduriga peaks patsiendi nahal geeli sisse mudima ägedalt edasi- tagasi sahmerdades. Vaadata võib kas kindlates projektsioonides, andurit vaid mõõdukalt kallutades või liikuma peab nahapinnal sujuvalt, mis on eriti oluline just ka veresoonte uurimisel. Kui ultraheli peegeldub veresoontes voolavatelt punalibledelt, toimub peegeldunud impulsi sageduse muutus, s.o. Doppleri efekt. Juhul kui andur on konstrueeritud taoliselt, et ta seda sagedusmuutu oskab vastu võtta ning edastada kasuliku infona vere liikumisest, on meil tegemist doppler- ultraheli rakendusega. 1

2 Dupleks tähistab tavalise reaalkujutist andva ultraheli ühendamist doppler- ultraheli võimalustega. Ilma reaalkujutisel orienteerumise võimaluseta on doppler- ultrahelitehnika tuntud sama kaua kui ultraheli kasutamine meditsiinis üldse. See on olnud nn. pimedoppler. Väiksepinnalistes pidevlaine- contniuous wave(cw) (pliiats)andurites on 2 piesokristalli, millest üks töötab ultrahelikiire saatjana ja teine peegeldunud signaali vastuvõtjana. Pidevultraheli emissiooni korral tuleb kasutada erinevate fokaaltsoonidega konstrueeritud andureid inimkeha mitmetes sügavustes kulgevate soonte tabamiseks. Pidevlaine dopplertehnika on senini edukalt kasutuses, eelkõige tänu oma odavusele. Vastavad audiaalsed taskudopplerid võiksid olla kasutusel perearstide seas. Väga kasulik on see näiteks pöia-õlavarre indeksi määramisel- edasist uurimist, kirurgilist ravi vajavate patsientide selekteerimiseks. Spetsiaalne andur on loote südametoonide kuulamiseks. Veidi keerulisematel ja kallimatel pidevlainedoppleraparaatidel on ka verevoolu spektrite graafiline väljund. See teeb nad edukalt kasutatavaks just transkraniaalsete arterite uurimisel, mille puhul impulsslaineline pilti andev ultraheli jääb mannetuks kuna ei läbi hästi koljut. Väikeste laste puhul saab vaadata läbi fontanellide ka tavalise ultraheliaparaadiga. Dupleks- ultraheliaparaatide eeliseks nn. "pimedoppleri" ees on see, et ühte andurisse on paigutatud nii reaalkujutise tekitamiseks vajalik piesokristall kui ka kindla nurga all olev üksik element doppleri helikiire saatmiseks, mida on võimalik fokuseerida konkreetse veresoone valendikku. Saadav teave on struktuurne ja funktsionaalne, nii veresoone anatoomiast kui füsioloogiast verevoolu näol. Katkestatud e. impulssanduri- pulsed wave(pw) puhul on sama kristall 0,1 % tööajast saatjaks, lõviosa 99,9 % aga vastuvõtjaks (selline ebavõrdsus valitseb ka B-modulatsioonis töötavatel anduritel). Pulsslaine- doppleri puhul saab verevoolu määrata erinevates sügavustes varieerides aega väljasaadetavate impulsside vahel (PRFpulse repetition frequency). Prefiks tripleks tähistab uuemate aparaatide võimalust kodeerida voolu värvilisena otse reaalkujutisel, mis tunduvalt hõlbustab ja kiirendab tööd sobiva osamahuvärati paigutamisel uuritavasse veresoonde. Uuematel anduritel on võimalik ka, et kogu anduri pind võib toimida nii tavapärase kui doppleri kiire saatja ja vastuvõtjana. Värvimodulatsioonide areng jätkub, välja arendatud on nn. Power Flow, kus liikumise värving ei olene voolusuunast ja on sensitiivsem. Philipsi firma VDU aparaatidel ei sõltu värvivool sootuks Doppleri sagedusmuudu printsiibist, vaid on otseselt peegeldatav ning transformeeritav punaliblede liikumisest kindla ajaviivu jooksul- v = s/ t. Jutt on juba mitu lõiku füüsikamaiguline. See on ka selge kuna terminid püüavad väljendada meetodi sisu, mis ei saa üle ega ümber füüsikast. Ultraheli füüsikalised alused. Vastuvõtja Fookusala Transmitter CW- doppler anduri puhul on sagedusmuut registreeritav kahe ultrahelikimbu ristumisalalt. VDU pilt. Vool veresoones nähtav värvilisena. Doppleri kiire suunda näitab punktiirjoon. Sagedusmuudu registreerimine toimub soone keskelt kahe väikse joonekese vahelt, mis määrab osamahuvärati sügavuti. Mis on üldse heli? Paslik koht tuletamaks meelde koolifüüsikat ja akustikat. Akustika (< kr. akustikos kuulmis- ) käsitleb heli tekkimist, levimist ja registreerimist. Heli on mehhaaniline võnkumine, mis levib tahkes, vedelas või gaasilises keskkonnas. Vaakumis heli ei levi. Selle poolest erineb heli fundamentaalselt elektromagneetilisest lainest, mis tühjas ruumis saab levida elektri- ja magnetvälja omavahelisel genereerimisel ja toetusel. Keskkonnas tekkiva, tekitatava mehhaanilise häirituse edasikandumise protsessi nimetatakse laineks. Keskkonna osakeste võnkumine lainet edasi kannabki. Helilained kannavad enesega energiat, mitte ainet ühest kohast teise. Laine on energia transpordi mehhanism. 2

3 Inimkõne on hingamis- ja artikulatsioonielundite poolt tekitatud õhuvõnkumine. Meile on heli kuulmis- ja meeleelundite aisting ning kogemus rõhulainete levimisest atmosfääris. Vesi kõlbab ka, eriti kaladele. Heli tähtsamad füüsikalised karakteristikud on helikiirus, helirõhk, heliintensiivsus e. tugevus ja helispekter, s.o. heli moodustavate mitmesuguste sagedustega harmooniliste võnkumiste kogum. Kuuldavat heli iseloomustavad helivaljus, kõrgus ja tämber. Kuuldava heli osas eristatakse musikaalset tooni, musikaalset heli, müra ja plahvatust. Puhas musikaalne toon on sinusoidaalne võnkumine. Mitmete puhaste toonide üheaegsel kooskõlamisel summeerub juba mittesinusoidaalne võnkumine. Musikaalse heli kõige madalama sagedusega toon määrab üldise helikõrguse, teised nn. ülemtoonid annavad lisavärvingu ehk tämbri. Kehvast orkestrist sammu kaugusel on müra, s.o. mitteregulaarne võnkumine enam- vähem sarnaste amplituudidega, kuid kõikvõimalike sagedustega. Lühiajaline ja tugev helilaine on plahvatus. Heli levimisel võib toimuda peegeldumine(refleksioon), murdumine, neeldumine(absorptsioon), refraktsioon, dispersioon, difraktsioon, interferents. Kõige selle tagajärjel heli amplituud ja intensiivsus kahanevad kuni heli täielikult sumbub. Põhiosa neeldub soojuseks. Vedelikel ja gaasidel on ruumelastsus ning puudub kujuelastsus. Neis saavad tekkida ainult pikilained (hõrendused ja tihendused), milles keskkonna osakesed võnguvad laine levimise sihis. Sel juhul võib helist rääkida kui elastsuslainetest. Kui osake- partikkel, tõugatuna naaberosakese poolt, liigub piki oma tasakaaluasendit annab ta müksu endast järgmisele, mis osutab aga teatud vastupanu nii, et meie kujuteldav osake põrkub tagasi ja otsa teda algselt lükanule. Ultraheli levimisel inimkudedes on keskkonna partiklitena kui mahuelementidena võetavad miljonite molekulide kogumid. Heli iseloomustab vibratsioonisagedus. Sagedus on lainetsüklite arv kindlas ajaühikus (harilikult ühes sekundis). Üks laine sekundis on üks Herts (Hz). Tuhat tsüklit sekundis on kiloherts (khz), miljon võnget sekundis on megaherts (MHz). Inimkuulmine on piiratud jäädes 16 Hz kuni 20 khz vahele. Infraheli on heli sagedusega alla 16 Hz. Ultraheli jääb sagedusvahemikku 20 khz - 1 GHz. Hüperheli ületab sagedust 1 GHz. Sagedus (f) 0 Hz 16 Hz Hz INFRAHELI KUULDAV HELI ULTRAHELI (alla 16 Hz) ( Hz) (üle Hz) 3

4 TABEL: Erinevate (looma)liikide ligikaudsed kuulmispiirid (järjestatud ülemise kuulmispiiri kasvamise suunas): Liik Kuuldavate helide vahemik (Hz) Liik Kuuldavate helide vahemik (Hz) kana kuldkala kanaarilind elevant öökull inimene lammas hobune lehm jänes koer kass rott hiir nahkhiir delfiin Meditsiinidiagnostikas kasutatav ultraheli jääb 1-15 MHz piiridesse. Märksa suuremad sagedused võivad olla tajutavad soojana füsioteraapias genereeritavate ja suunatavate ultraheli sageduste juures. Fokuseeritud ultraheli kasutatakse neerukivide purustamisel. On andmeid ka mikrotsirkulatsiooni uuringute kohta doppler ultraheli meetodil sagedustega MHz. Lainekuju s.o. mingi signaali graafiline kujutamine põhiliselt amplituudi ja aja suhtena. Kõige elementaarsemat laineliikumist illustreerib konstantsete amplituudidega sinusoid, mida on võimalik tekitada tsüklilisel ostsillatsioonil. Funktsioon y = sin x graafik avaldub lainekujulisena. Y- vertikaalteljel on osakese edasi- tagasi võnkumise amplituud. X- horisontaaltelge võib panna väljendama häirituse ruumilist või ajalist kulgu. Vastavalt sellele saab avaldada kas lainepikkust λ või sagedust f. Pöördväärtusena sagedusele väljendatakse perioodi τ. Periood on aeg mis kulub üheks täisvõnkeks. Kaugust kahe teineteisele lähima, samas faasis võnkuva punkti vahel nimetatakse lainepikkuseks. Laine levimiskiirus c avaldub läbitud maa ja selleks kulunud aja suhtega. Kuuldava heli puhul määrab amplituud helitugevuse- valjuse. Sagedusest sõltub helikõrgus (karu mõmisemine versus sääsepinin). Lainevorm annab tämbri. Ülalnäidatud konstantse amplituudiga laineid naljalt ei kohta, kui neid just tehislikult ei genereerita- nii nagu see ongi pidevlaine ultraheli puhul. 4

5 CW- pidevlaine ultraheli- anduris on vaja kahte elementi- saatjat ja vastuvõtjat. Reaalkujutist andvate impulss- ultraheli anduritega tekitatakse küllalt segaseid lainekujusid, milles lisaks spetsiifilisele juhtsagedusele τ esineb palju ebasoovitavaid eel- ja järellainetusi. PW- pulsslaine ultraheli anduris on üks element. τ PD- pulse duration, pulsi emissiooni periood. Impulss- ultraheli põhinäitajaks on impulsi kordumissagedus PRF- pulse repetition frequency, millele retsiprookselt vastandub impulsi kordumisperiood PRP- pulse repetition period. PRF on tavaliselt enam kui 1000 Hz. Kui PRF kasvab, PRP lüheneb. Hõivetsükkel on pulsi kestuse ja vastuvõtu suhe. CW puhul on hõivefaktor 100 %. PW puhul on hõivefaktor tavaliselt alla 1 %-i. Laine faasiline levimine ongi laine levimiskiirus. Piisavalt väikeste amplituudide korral sõltub kiirus ainult keskkonna mehhaanilistest omadustest, olles praktiliselt mõjustamata lainesagedusest ja/või lainepikkusest. Viimased on omavahelises seoses nõnda, et mida suurem sagedus- seda väiksem lainepikkus ning ka lühem maa enne laine täielikku sumbumist. Meditsiinidiagnostikas kasutatava ultraheli puhul on saadav informatsioon suures osas vaid pehmete kudedest, kus keskmiseks ultraheli kiiruseks on 1540 m/s. Sel juhul lainepikkused vastavalt sagedustele 1 MHz- 1,54 mm 3 MHz- 0,51 mm 7 MHz- 0,22 mm. Kõhu vaatamiseks on tähtis, et ultraheli peegeldaks sügavamaid struktuure, optimaalseimaks valikuks on 3,5-5 MHz- sed konveksandurid. Seevastu pindmiste struktuuride, ka jäsemete veresoonte vaatamiseks sobivad 5-7,5 MHz-sed lineaarandurid. Suuremasageduslikud andurid võimaldavad paremat resolutsiooni, kuna väiksema lainepikkusega ultraheli peegeldub väiksematelt osakestelt (Rayleigh- Tyndall scattering). Hea resolutsioon antud kontekstis tähendab parimat pilditeravust, peegelduvad üksikud punktid eristuvad teineteisest täielikult, ei sula omavahel kokku. Suuremad sagedused PW puhul kaasavad lisaks väiksemale lainepikkusele lühema pulsi ruumilise vältuse- spatial pulse length, mis tingib parema pikitelje e. aksiaalse (longitudinaalse) resolutsiooni. Lateraal (asimuut) e. külgtelje resolutsioon on samuti parem suuremate sageduste juures, sõltudes suurel määral ka anduri diameetrist ja fokuseerimisest. Kuigi suuremasageduslikud andurid on igati paremad teravama kujutise saamise seisukohast, on nende juba nimetatud puuduseks lühem lainepikkus ning seetõttu kiirem sumbumine ja kehvem penetratsioon. Pindmiselt võib pilt küll terav olla, sügavamalt ei näe miskit. Kompromisslahendustena töötatakse välja järjest paremaid andureid, mis võimaldavad kasutada mitmeid sagedusi, dünaamilist fokuseerimist jms., mis jäägu inseneride pädevusse. Taaskordusena ja jätkuna laine levimisest rõhutaks keskkonna tähtsust, ilma milleta ultraheligi puhul aeg- ruum suhted olematud oleks. Diagnostilise ultraheli seisukohalt on aga kõige olulisem, et see keskkond- inimkeha pole mitte ühtlaselt homogeenne, mil puhul organismi sisemusest olulist infot ei peegeldukski. Samas, kui erinevad koed liialt palju teineteisest erinevad, peegeldub kõik tagasi ja info piirdub vaid esimese kokkupuutepinnaga, tahapoole jääb kajavari. Diagnostiliselt tänuväärne on kajavarjust artefakt eelkõige sapi- ja neerukivide avastamisel. 5

6 Keskkonna meelsust ultraheli leviku suhtes väljendatakse impedantsina <ld. impedare, takistama. Impedants (vastupanu)= tihedus (kg/m 3 ) korda levimiskiirus (m/s). Z = pc, ühikuks rayl (kg/m 3 x m/s). Siit ilmneb, et määrav koht on keskkonna tihedusel, palju massi on mahu kohta. Kuigi valemist tuleneb, et tihedamas keskkonnas on vastupanu justkui suurem, ei tähenda see teps seda, et taolistes keskkondades kiirus väiksem oleks kui hõredamates. Keskkonda moodustava aine tähtis omadus on ka jäikus s.o. vastupidavus survele, kompressioonile. Kui tiheduse suurenemisel levimiskiirus kahaneb siis jäikuse suurenemisel kiirus kasvab. Jäikuse mõju on domineerivam. On kord nii, et tihedamad keskkonnad on ka jäigemad ja seal on ka kiirus suurem. keskkond Z 10 6 kg/m 2 s kiirus m/s õhk 0, kops 0,3-0, rasv 1, vesi 1,43-1, pehmed koed keskmiselt 1540 maks 1,63-1, lihaskude 1,65-1, luu 3,8-7, Peegeldumine erinevate keskkondade piirilt rasv- lihas 1 % rasv- luu 50 % kude- õhk(kops) 100 % Kahe keskkonna akustilise impedantsi erinevus määrab helienergia peegeldumismäära. Doppleri efekt: Kuulajale lähenev heliallikas on tegelikusest suurema lainesageduse ja väiksema lainepikkusega. Kuulajast eemalduvat heli võetakse vastu väiksema lainesageduse ja suurema lainepikkusena. Heli- või elektromagnetlainete (mõõdetav) sagedus muutub sõltuvalt laineallika ja vaatleja (vastuvõtja) relatiivse liikumise kiiruse väärtusest ja suunast. Nagu muugi meditsiinidiagnostikas kasutatav ultraheli, põhineb ka VDU ultraheli tänuväärsel omadusel levida kudedes peegeldudes tagasi erineva impedantsiga kudede piirilt. Reflekteeruv kaja moduleeritakse digitaalselt inimsilmale vastuvõetavaks kujutiseks. Ühesõnaga nii kavalalt, et seda 6

7 üliheli, mida me ei saa kuulda, muudetakse hoopistükki nähtavaks. Kuid doppleri signaal on muudetav ka kuuldavaks. Doppleri signaal on registreeritav audiovisuaalselt. Kuuldav on ta seetõttu, et peegeldub tagasi muutunud sagedusega, mida põhjustab peegeldumine liikuvatelt objektidelt- inimorganismis peamiselt veresoontes voolavatelt erütrotsüütidelt. Sagedusmuut f ( Hz) on piisava voolukiiruse v juures inimkõrva kuulmistajuvuse piirides (16Hz-20kHz). Seda transformeerib meile aparaat lahutades naasnud lainesageduse f* anduri poolt väljasaadetust f 0. Näiteks kui anduri sagedus on 5 Mhz ja peegeldunud signaali f* on 4,995 MHz, siis f = f 0 - f*= 5kHz. See on tehniliselt ja seega ka diagnostiliselt õnnelik juhus, et sagedusmuut kliiniliselt rakendatavate ultrahelisageduste ja füsioloogiliselt esinevate verevoolukiiruste (mõni cm/ s kuni 5 m/s) vastasmõjul just kuuldavuse piiridesse langeb. Lisaks kasutatava anduri sagedusele ja mõõdetavale verevoolukiirusele sõltub sagedusmuut helikiire langemisnurgast θ ja leviku kiirusest kudedes c 1540 cm/ s Kõik see on valatud järgmisesse valemisse. Doppleri efekt matemaatiliselt, sellest tuletatav verevoolu kiirus. f fv Θ = 2 0 (cos ) c f 2 f = f = f0 f v sinθ v = c f f0 (cos Θ) v cosθ duplex B-modePW Θ v 0 (cos θ) c f v = 2 f (cos θ ) v c 0 Verevoolu kiirusvektor ehitub üles rööpküliku diagonaalina läbi nurga θ koosinusfunktsiooni. Praktilises töös on tähtis jälgida, et ultrahelikiire langemisnurk ei ületaks 60 0, millest nürinurksematel lähenemistel võivad sugeneda suured mõõtmisvead. Üle 60 0 kraadistel nurkadel toimuvad koosinusväärtuste järsud muutused ja määratavad voolukiirused võivad osutuda utoopilisteks. Kui langemisnurk on 90 0 siis cos θ on üldse 0, s.t. ei toimu relatiivset liikumist ei anduri poole ega eemale. Värvidoppleri kujutisel on see ala nähtav musta vööndina. Kõige parem oleks asuda mõõdetavate objektidega ühel joonel s.o. cos 0 0. Seda on enamusel juhtudel raske saavutada, sest suured veresooned kipuvad kulgema nahakatetega paralleelselt. Valemis esinev korrutis 2 tähendab seda, et andur on nii omamoodi kuulaja, kuid esmalt veel heliallika saatja rollis. Sedasama võib öelda punaliblede kohta. VDU ühendab eneses impulsslaine doppleriga ammutatavat funktsionaalset, füsioloogilist infot verevoolu näol tavapärase B-modulatsiooni abil saadava reaalkujutisega anatoomilisest ehhostruktuurist. Verevool on registreeritav audiovisuaalselt. Vaevalt, et keegi piirdub vaid helilise väljundiga. Absoluutse kuulmiseta inimesele on üks kord etem näha, kui sada kord kuulda. Korrektselt jäädvustatud vooluspektrit võib doppler- ultraheliuuringu korral pidada ka kõige objektiivsemaks informatsiooniks. Selleks, et saada rahuldavat lainekuju uurimiseesmärgiks olevast soonest, tuleb lisaks peegeldatava piirkonna anatoomiale tunda ja osata käsitleda konkreetset ultraheliaparaati. Ultrahelipildi saamiseks lihtsamal kujul on vaja andurit. Enne seda- transmitterit, ostsilaatorit, taimerit. Koos ja pärast- signaali amplifikaatorit ja demodulaatorit. Signaali on vaja rejekteerida, kompresseerida, kompenseerida, digitaliseerida. Ja saata monitorile. Praktilisest vaatevinklist jääb anduri ja monitori vahele patsient oma uuritava piirkonna, elundi või veresoonega. Kui kõhuelundite vaatamisel piisab paljudel juhtudel näiliselt vaid anduri õigest asetsusest patsiendi nahal, siis veresoonte jälgimisel peab vaataja oskama käsitleda ka mõningaid paneeli lisanuppe, et saada monitorile vajalik informatsioon. 7