Primjena ultrazvuka u medicini

Transcript

1 FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE Primjena ultrazvuka u medicini Marko Pecušak osiguranje kvalitete

2 PRIRODA ULTRAZVUKA 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 = fλ v - brzina širenja ultrazvuka (približno 1540 m/s u mekim tkivima), f - frekvencija u Hz λ - 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 / m 2. 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.

3 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. Slika 1. Prikaz toka u arteriji transplantiranog bubrega B prikaz 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.

4 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. Slika 2. Dopplerov efekt u promatranju vene M prikaz 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.

5 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.

6 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. Slika 3. Ultrazvucni uredaj Primjenjuje se kod: abdominalnog, srcanog, porodiljskog, ginekološkog, urološkog i cerebrovaskularnog pregleda, pregleda dojki te malih dijelova tkiva kao i kod pedijatrijskih i operativnih pregleda.

7 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). Slika 4. Prikazi stezanja i mlaza u vratnoj žili kucavici M prikaz ULTRAZVUCNE SONDE I SISTEMI PRETRAŽIVANJA Medicinska ultrazvucna sonda (ehoskopska sonda) je naprava koja se prislanja uz tijelo pacijenta i sadrži jedan ili više ultrazvucnih pretvaraca. U vecini slucajeva, sonda automatski, i to najcešce brže od tromosti oka, pretražuje unutrašnjost tijela (oko 20 slika u sekundi).

8 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 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.

9 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. Slika 5. Prikaz vratne žile kucavice sa prisutnim ovapnjenjem stijenki M prikaz 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.

10 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 90 0, 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.

11 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. Slika 6. Pregled unutrašnjosti trbušne šupljine B prikaz 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.

12 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. LITERATURA 1. Grupa autora: Prirucnik za tecaj trajnog usavršavanja lijecnika 2. Hitachi prospekti ultrazvucnih uredaja 3. Internet :