Medicinski ultrazvuk
Šta je ultrazvuk
Ultrazvuk se ne razlikuje mnogo od poznatih zvučnih talasa, osim što ne možemo čuti njegov "zvuk". Kada frekvencija zvučnih talasa dostigne više od 20 kHz, što je izvan opsega koji normalni ljudi mogu percipirati, ova vrsta zvučnih talasa se naziva ultrazvukom. Slično, ako je frekvencija zvučnog talasa niža od opsega koji ljudi mogu čuti, to je infrazvučni talas. Dakle, u drugim fizičkim svojstvima, ultrazvučni talasi su u osnovi isti kao i zvučni talasi. Ultrazvuk/zvučni talas je vrsta mehaničkog talasa, longitudinalnog talasa i talasa pritiska. Proširuje se vibracijom čestica, a vibracija čestica će nastaviti stvarati područja s relativno visokim i niskim pritiskom (kao što je prikazano na donjoj slici), a njegov smjer vibracije je u skladu sa smjerom širenja, tako da širenje ultrazvučnih valova zahteva medijum. Pod različitim medijima, brzina ultrazvučnih talasa je različita. Na primjer, brzina u zraku je oko 340 metara u sekundi, u ljudskom tijelu je oko 1540 metara u sekundi, a brzina u vakuumu je 0. Ultrazvuk ima široku primjenu, posebno u oblasti medicine. Kao neradioaktivna metoda, ultrazvuk može pomoći liječnicima u postavljanju bolje dijagnoze pacijenata. Kasnije će biti detaljnije proširen.
Kako napraviti ultrazvuk
Generisanje ultrazvučnih talasa i generisanje zvučnih talasa se zasnivaju na istom principu. Za zvučne valove obično koristimo telefon kao primjer. Prilikom govora, zvuk (mehanička energija) se pretvara u električne signale (električna energija) koji putuju do drugog kraja, a zatim prilikom slušanja, električni signali se ponovo pretvaraju u zvuk. Ovo je potpuno isto kao i proces generisanja i primanja ultrazvučnih talasa, a njihov princip je piezoelektrični efekat. Piezoelektrični efekat je da će određeni materijali, kao što je kvarc, generisati određeni stepen napona na svojoj površini kada je podvrgnut mehaničkom pritisku; i ako dovedemo napon na njegovu površinu, ona će stvoriti određeni stepen mehaničke deformacije. Zatim kroz preciznu kontrolu električnog signala možemo generirati i primati ultrazvučne valove. Trenutno je PZT najčešći materijal koji se koristi u ultrazvučnim instrumentima. U normalnom radu instrumenta, ultrazvučni talasi se obično pojavljuju u obliku impulsa, a ne kontinuiranih talasa, tako da generalno, PZT prima električni impulsni signal, generiše ultrazvučni talas, a zatim počinje da prati, a prijem vraća jedan nakon drugog. Ultrazvučni signali se pretvaraju u odgovarajuće električne signale za dalju obradu podataka, a ciklus se ponavlja dok se skeniranje ne završi.
Širenje ultrazvuka u ljudskom tijelu
Kao što je ranije spomenuto, brzina ultrazvučnih talasa u ljudskom tijelu je oko 1540 metara u sekundi, što je zapravo prosječna vrijednost i ujedno je brzina kalibracije koju koriste ultrazvučni instrumenti u većini slučajeva. Kao što će biti spomenuto kasnije, ultrazvučno snimanje se oslanja na procjenu brzine ultrazvuka, a njegova preciznost će imati direktan utjecaj na kvalitet slike. Tada je za različite organe i tkiva brzina prijenosa različita. Na primjer, to je oko 1510 metara u sekundi u mozgu, oko 1560 metara u sekundi u jetri i bubrezima, 1570 metara u sekundi u mišićima, itd. Ovo se ne razlikuje mnogo od prosjeka. Međutim, ultrazvučna brzina u masti je samo oko 1440 metara u sekundi. Ova razlika u brzini značajno smanjuje kvalitet ultrazvučne slike kod gojaznih pacijenata, tako da će u ovom slučaju instrument ponovo kalibrirati ili dinamički prilagođavati brzinu.
Budući da je ultrazvuk vrsta talasa, on će takođe proizvoditi fizičke pojave vezane za talase sa različitim tkivima i organima tokom širenja ljudskog tela. Ove pojave su osnova za snimanje ultrazvukom. Uglavnom transmisija, refleksija, rasipanje i prelamanje. Kada PZT emituje ultrazvučne talase i naiđe na ljudske organe/tkiva, deo talasa može da prodre i nastavi da se širi duboko u ljudsko telo u prvobitnom pravcu, što je transmisija i energija talasa će se delimično apsorbovati u procesu; preostali dio valova Vraćajući se u suprotnom smjeru i koji ga prima PZT, ovaj dio je reflektovani talas, a signal ovih reflektovanih talasa je glavna sirovina za snimanje; energija raspršenih talasa je obično vrlo mala, a prelomljeni talasi će ometati sliku. U osnovi, sposobnost ultrazvuka da prenosi i sposobnost organa/tkiva da apsorbuju ultrazvuk određuju koliko duboko ultrazvuk može da "vidi". Budući da što je niža frekvencija, to je penetracija ultrazvuka jača, pa kada doktori moraju da vide dublje, često će se koristiti detektor niže frekvencije (transducer), ali niska frekvencija obično uzrokuje pogoršanje kvaliteta slike. Ovo je kompromis koji treba napraviti i o njemu će se detaljno raspravljati kasnije kada budemo govorili o detektorima.
Uvod u medicinsko ultrazvučno snimanje
Sa produbljivanjem istraživanja i medicinskih potreba, ultrazvučne slike su se promijenile iz samo 1D u 3D/4D. Ultrazvučni instrumenti sada mogu podržati različite načine snimanja kako bi zadovoljili potrebe različitih pacijenata i doktora. Sljedeće predstavlja nekoliko glavnih načina snimanja.
A-režim: To je takozvani 1D, koji je najjednostavniji način rada. Detektor emituje talas ultrazvučnih talasa u određenom pravcu, a instrument predstavlja jednadžbu između reflektovanog signala i dubine, a slika je slična signalu koji obično vidimo na osciloskopu. A-režim je bio glavni način rada ranih ultrazvučnih instrumenata i sada se manje koristi, ali se također može koristiti za usmjeravanje visokoenergetskih valova za liječenje tumora tokom operacije.
B-režim: B je ovdje svjetlina. U ovom načinu rada, detektor skenira područje i generiše 2D sliku u sivim tonovima. Ovo je jedan od najčešće korištenih načina rada. Što je svjetlija boja (bijela), to je jači reflektirani signal, općenito površina organa/tkiva, a što je tamnija boja (crna), to je reflektirani signal slabiji.
M-režim: M je ovdje kretanje. U režimu pokreta, instrument vrši brzo skeniranje i snimanje u B-modu, tako da doktor može vidjeti kretanje organa, što je posebno važno za dijagnozu srca.
Doplerov režim: Doplerov režim, nazvan po upotrebi Doplerovog fenomena za merenje brzine pokretnih objekata. U Doppler modu, doktori mogu pratiti protok i smjer krvi kako bi identificirali moguće lezije u krvnim sudovima.
Dopler u boji: Ovaj režim se jednostavno može shvatiti kao B-režim/M-režim plus Dopler, odnosno, na osnovu 2D slika u sivim tonovima, dopler mod i kalibracija boje se koriste za prikaz položaja, protoka krvi, brzine protoka i smjera krvnih sudova.
3D/4D: 3D mod je 3D slika koja može predstaviti organe/tkiva. Što se tiče 4D, to je 3D slika u realnom vremenu. Iako mnogi napredni ultrazvučni instrumenti koriste 3D i 4D modove, generalno se ne koriste mnogo.
