Ultradźwięki w medycynie

Prace nad ultrasonograficzną diagnostyką ultradźwiękową zostały zainicjowane w początku lat pięćdziesiątych. Dzisiaj, po blisko sześćdziesięciu latach, ultrasonografia (USG) stanowi jedno z podstawowych narzędzi, służących do obrazowania narządów oraz do diagnostyki układu krążenia.
USG jest nie tylko metodą komplementarną do tradycyjnych technik obrazowania, takich jak rentgen, tomografia komputerowa, rezonans magnetyczny czy radioizotopy, ale posiada unikalne własności w porównaniu z wymienionymi metodami obrazowania. Wśród nich należy podkreślić niejonizacyjny charakter promieniowania ultradźwiękowego i na poziomie współczesnej wiedzy brak jakichkolwiek ubocznych efektów nadźwiękawiania natężeniami stosowanymi w ultrasonografii. Ultrasonogramy narządów otrzymywane są praktycznie w czasie rzeczywistym z prędkością kilkudziesięciu obrazów na sekundę, przy czym jednocześnie z obrazem tkanek można rejestrować kolorową „mapę" naczyń krwionośnych i mierzyć w nich prędkość przepływu. Rozdzielczość (zdolność rozróżniania/wykrywania niewielkich zmian w narządach) wynosi około pół milimetra, co stawia USG obok najnowszych osiągnięć tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego. Nie bez znaczenia są wymiary współczesnych ultrasonografów. Wiele z nich to prawdziwie przenośne urządzenia umożliwiające badania przy łóżku chorego. Naturalnie są też i ograniczenia. Fale ultradźwiękowe ulegają praktycznie całkowitemu odbiciu na granicy obszarów wypełnionych gazem (płuca, jelita) oraz kości.
Fale ultradźwiękowe są drganiami mechanicznymi i należą do zjawisk fizycznych przenoszących energię. Ultradźwięki rozchodzą się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych. W zależności od rodzaju ośrodka mamy do czynienia z różnymi rodzajami zaburzeń jego stanu: w gazach są to zaburzenia gęstości, w cieczach - gęstości i kształtu powierzchni swobodnej, natomiast w ciałach stałych gęstości lub kształtu. W ogólności ośrodki biologiczne, zwłaszcza tkanki miękkie, możemy traktować jak ciecze, w których rozchodzą się jedynie podłużne fale ultradźwiękowe. W procesie propagacji fali w ośrodku, cząstki ośrodka drgają tam i z powrotem wokół ich średniego położenia. Dlatego też energia jest przenoszona przez chwilowe wytrącanie cząstek z ich stanu równowagi bez przemieszczania się ośrodka.
Zakres drgań mechanicznych obejmuje bardzo szerokie pasmo częstotliwości, od bardzo małych poniżej kilkunastu drgań na sekundę aż do miliardów drgań na sekundę. Drgania poniżej 16 Hz, niesłyszalne dla ludzkiego ucha, nazywamy infradźwiękami. Ucho ludzkie odbiera drgania w paśmie od 20 Hz do 20 kHz. Drgania powyżej 20 kHz nazywamy ultradźwiękami i są one odczuwane jedynie dla bardzo dużych energii, przy których wydziela się ciepło. Zakres od 1 MHz do około 50 MHz obejmuje nieniszczące badania materiałów i ultradźwiękową diagnostykę medyczną.
Podstawą wizualizacji wewnętrznych struktur ciała jest zjawisko echa, powstające wtedy, gdy fala pada na granicę dwóch ośrodków różniących się impe-dancją akustyczną pc. Impedancja jest iloczynem gęstości ośrodka p i prędkości fali c w tym ośrodku. Wartości impedancji akustycznych różnych tkanek miękkich różnią się od siebie bardzo niewiele. Dzięki temu mniej niż 1% natężenia fali płaskiej odbija się od granicy dwóch różnych tkanek, gdy fala pada prostopadle na tę granicę. Reszta przenika kolejno przez wszystkie następne granice tkanek miękkich. Fale odbite od kolejnych granic powodują na każdej z nich powsta­nie ech, które przetworzone i wzmocnione tworzą obraz badanego narządu wraz z jego wewnętrznymi strukturami.
Prędkość rozchodzenia się podłużnych fal ultradźwiękowych w tkankach miękkich zależy m.in. od ilości zawartej w nich wody, tłuszczu i kolagenu. Największą prędkość fale osiągają w ścięgnach, które charakteryzują się największą zawartością kolagenu. W pojedynczych włóknach kolagenu c = 1700 m/s. Średnia prędkość ultradźwięków w tkankach miękkich wynosi 1540 m/s. Najmniejsza prędkość fali ultradźwiękowej występuje w tkance tłuszczowej i jest równa średnio 1460 m/s. W tkance płucnej prędkość fali ultradźwiękowej wynosi tylko 650 m/s.
Energia fal ultradźwiękowych ulega zmniejszeniu w czasie propagacji w tkankach. Spadek energii zależy głównie od przewodności cieplnej, tarcia wewnętrznego, lepkości, rozproszenia, procesów molekularnych, dyspersji prędkości oraz nieliniowej propagacji fal dla większych natężeń. Na skutek tych zjawisk część energii rozchodzącej się fali jest nieodwracalnie tracona. Tłumienie fal ultradźwiękowych w tkankach jest w przybiżeniu wprost proporcjonalne do częstotliwości aż do 100 MHz, im wyższa częstotliwość tym tłumienie jest większe. Oznacza to, że głębokość badania maleje z częstotliwością. W tkankach miękkich średnie tłumienie fal podłużnych wynosi 0,6 dB/cm.
Zasadniczą cechą, charakterystyczną dla ultradźwiękowych metod diagnostycznych, jest możliwość uzyskiwania informacji o tkankach miękkich pacjenta. Nawet przy bardzo małych różnicach w sprężystości lub gęstości sąsiadujących ze sobą tkanek, są one rozróżnialne ultrasonograficznie, gdy tylko różnią się one impedancja akustyczną. Impedancja akustyczna Z jest w pierwszym przybliżeniu iloczynem gęstości p i prędkości rozchodzenia się fali c w ośrodku. Gdy tylko fala pada na granicę ośrodków różniących się impedancja akustyczną (gęstością i/lub sprężystością), powstaje częściowe odbicie fali, sygnalizujące występowanie tkanki różniącej się od otaczającego ją ośrodka. Tkanki miękkie mają bardzo zbliżone wartości impedancji akustycznych. Jedynie niewielka część padającej energii fali jest odbita na granicy między dwoma różnymi tkankami miękkimi, stąd wartość współczynnika odbicia jest zazwyczaj mniejsza od 1/100. Na granicy tkanek znacznie różniących się impedancjami akustycznymi, fala ulega praktycznie całkowitemu odbiciu. W praktyce mamy do czynienia z takimi przypadkami np. na granicy tkanki miękkiej i kości.
Odbicie zależy w głównej mierze od właściwości elastycznych tkanek. Różni to metody ultradźwiękowe od radiologicznych, w których właśnie gęstość tkanek ma podstawowy wpływ na ich rozróżnialność.
Jeżeli wymiary obiektu lub niejednorodności ośrodka są znacznie mniejsze od długości fali to obserwujemy zjawisko rozproszenia. Fale odbite rozchodzą się w określonym kierunku, natomiast fale rozproszone rozchodzą się (w przybliżeniu) we wszystkich kierunkach z jednakową amplitudą. Obiekty o wymiarach małych w porównaniu z długością fali, zachowują się jak bezkierunkowe źródła fal rozproszonych.
Pewne narządy wewnętrzne ciała nie są dostępne do badań ultradźwiękowych. Płuca zawierające pęcherzyki gazu są przeszkodą nie do przeniknięcia dla fal ultradźwięków, a ponadto utrudniają dostęp do serca. Podobnie, wypełnione gazami jelita i żołądek utrudniają dostęp do wielu narządów. Mózg ze względu na kości czaszki, jest trudno dostępny dla badań ultradźwiękowych, choć można uzyskać szereg cennych informacji o jego strukturach wewnętrznych, a obecnie również o wewnątrzczaszkowych przepływach krwi. Ograniczenia te nie dotyczą noworodków i dzieci ze względu na niezakończony proces kostnienia czaszki.
Książka zawiera osiem rozdziałów. Rozdział 1 obejmuje materiał wykładów dotyczących podstaw USG, prowadzonych przeze mnie w ramach kursów ultra-sonograficznych organizowanych przez Polskie Towarzystwo Ultrasonograhczne, m.in. w Roztoczańskiej Szkole Ultrasonografii.
W drugim rozdziale omówiono zagadnienia związane z rozchodzeniem się fal ultradźwiękowych, równanie falowe i zjawisko odbicia fali. Rozdział 3 poświęcony jest polom promieniowanym przez przetworniki okrągłe i prostokątne. W rozdziale 4 omówiono zagadnienia promieniowania głowic wielo element owych. W kolejnym, piątym rozdziale omówiono podstawy formowania wiązek ultradźwiękowych w systemach apertur syntetycznych.
Nowej tematyce, zwanej ultrasonografia kodowaną, poświęcony jest rozdział szósty.
Zagadnienia związane z absorpcją i rozproszeniem ultradźwięków w tkankach miękkich omówiono w rozdziale siódmym.
Ostatni, ósmy rozdział poświęcony jest zagadnieniom bezpieczeństwa badań ultradźwiękowych, dopuszczalnych dawek i pojęć związanych z pomiarami natężeń fal ultradźwiękowych