1. Ultrasonografie
1.1. Intenzity UVZ využívané v diagnostice
1.2. Polotloušťka
1.3. Vznik ultrazvukového obrazu
1.4. Princip ultrasonografického zobrazování
1.5. Zobrazení
Při příjmu odraženého ultrazvukového vlnění se mechanická energie mění v piezoměničích sondy na elektrický impuls. Ten je dále zpracován ultrasonografem a na obrazovce jej lze zobrazit dvěma způsoby: [21]
• kmitem (mód A)
• bodem (mód B)
1.5.1. Mód A
Mód A je nejjednodušší jednorozměrné ultrazvukové zobrazení. Echo signály odražené od akustického rozhraní jsou zobrazeny jako série amplitud (odtud A-mód) na časové základně osciloskopu [25]. Převážné využití tohoto módu je v biometrii oka v oftalmologii.
Obr. 2.1: Mód A.
1.5.2. Mód B
Mód B patří k nejčastěji využívanou formu 2D zobrazení v ultrasonografii. Je založen na jasové modulaci (Brightness Modulation). Obraz je složen z odstínů šedé. Jas závisí na amplitudě a intenzitě odraženého echa [25].
1.5.3. Mód M
Mód M, nebo-li Motion Mode, je jednorozměrné zobrazení využívané k posouzení pohybujících se tkání. Nejčastější využití tohoto módu je v kardiologii. V reálném čase se zobrazují amplitudy echo signálů [25].
1.5.4. 3D
Tato metoda patří mezi pokročilejší. Sonda se během snímání pohybuje (lineárně, naklápěním nebo rotací). Tímto se daná tkáň naskenuje v různých rovinách, získané snímky jsou počítačem matematicky zpracovány a výsledkem je zrekonstruovaný objekt. Lze použít speciální 3D sondy, nebo klasickou 2D sondu a manipulovat s ní ručně [25].
Obr. 2.2: Formy 3D snímání: a), b) pomocí účelových sond, c) z volné ruky. Podle [25].
1.5.5. 4D
U 3D zobrazení se nejprve daný objekt naskenuje ve více rovinách a následně jej počítač zrekonstruuje. 4D mód zobrazuje prostorový objekt v reálném čase.
1.5.6. Harmonické zobrazení
Pomocí přirozeného harmonického zobrazení lze dosáhnout zvýšení kvality obrazu a kontrastu ultrazvukového snímku bez aplikace kontrastních látek. To je vhodné u 20 % pacientů, kteří jsou obtížně vyšetřitelní bežným ultrazvukovým zobrazením. Je zvýšen akustický výkon ultrazvukových vln [25].
Pripcipem tohoto zobrazení je vyslání intenzivního ultrazvukového impulsu s frekvencí f do tkáně. Přijímač následně zachycuje harmonické kmity s frekvencí 2f (2. harmonická). Energie těchto kmitů je však v porovnání s energii vyslaného impulsu velmi malá, pro vznik ultrazvukového obrazu je zapotřebí velký dynamický rozsah zesílení, dokonalé potlačení odrazů základní vysílané frekvence f a použití širokopásmových měničů s citlivostí v oblasti 2. harmonické [25].
Obr. 2.3: Přirozené harmonické zobrazení.
Přínosem přirozeného harmonického zobrazení je: [25]
1. možnost dokonalého vyšetření pacientů obtížně vyšetřitelných konvečním ultrazvukovým zobrazením
2. zkrácení doby vyšetření těchto pacientů
3. zvýšení kontrastu při zachování laterální rozlišovací schopnosti u běžných pacientů
1.5.7. Panoramatické zobrazení
Tato doplňková metoda umožňuje souvislé sejmutí obrazu tkáně v požadovaném směru a převedení do paměti přístroje. Lze tak zobrazit širokoúhly pohled vyšetřované oblasti [25].
1.6. Digitální zpracování obrazu
V moderních ultrasonografech probíhá zpracování obrazu digitálně. Jedinou částí, která zpracovává analogově je převod mechanické energie na elektrickou v piezoměničích (v sondě) během přijímání odraženého echa. Dále následuje analogově digitální převodník.
1.7. Šíření ultrazvuku v tkání a odrazivost tkání
1.8. Ultrazvukový diagnostický přístroj
Ultrazvukový diagnostický přístroj nebo-li ultrasonograf / echograf využívá ultrazvukové vlnění k vytvoření obrazu tkání. Základem je různá odrazivost vlnění na rozhraní dvou prostředí. Informaci o hloubce objektu získává analýzou zpoždění odrazu, informaci o odrazivosti objektu naopak analýzou amplitudy odraženého signálu [25].
1.8.1. Hlavní části ultrasonografu
Ultrasonograf se skládá z těchto částí: [25, 27]
• vyšetřovací sondy
• centrální elektronická část pro buzení piezoměničů a zpracování obrazu
• zobrazovací jednotky
• záznamové jednotky
1.8.2. Vyšetřovací sondy
Ultrazvukové sondy se dělí podle počtu měničů, typu použití a geometrického tvaru vytvořeného obrazu. Nejstarší a nejjednodušším typem je jednoměničová sonda, ta pro vysílání ultrazvuku i příjem odražených vln používá pouze jeden měnič. Dalším typem jsou dvouměničové sondy, které využívají jeden měnič pro vysílání a druhý pro příjem. Sondy víceměničové, používané v dnešních přístrojích, mají pro vysílání i příjem více měničů (8, 16, 32, 64 až 256). Sondy s vyšší frekvencí mají menší hloubku průniku, ale lepší rozlišení. Sondy s nižší frekvencí proniknou do větší hloubky, avšak jejich rozlišovací schopnost je menší.
Dnešní typy sond jsou jak mechanické, u nichž je vlnění generováno oscilacemi nebo rotací, tak elektronické, pracující na piezoelektrickém principu.
Obr. 2.4: Typy sond: a), b) mechanické, c) piezoelektrická. Podle [].
Piezoelektircký jev
Mechanickou deformací piezoelektrického krystalu vzniká na jeho povrchu elektrický náboj. Tento princip funguje i zpětně. Přivede-li se na piezoelektrický krystal napětí, dochází u něj ke změně tvaru. Tohoto jevu se využívá v ultrasonografii.
Obr. 2.5: Piezoelektrický jev: a) přeměna napětí na deformaci krystalu, b) přeměna deformace krystalu na napětí. Podle [22].
Piezoelektrické měniče jsou umístěny v ultrazvukové sondě. Přivedením elektrického vysokofrekvenčního napětí (ultrazvuk) na tyto měniče, vzniká mechanická energie, která je přenášena ze sondy přes sonogel do tkání. Ultrazvukové vlnění se v tkáních odráží, rozptyluje, lomí, ohýbá a absorbuje. Odražená část vlnění se vrací zpět k sondě, dochází k mechanickým deformacím piezoměničů a vzniká elektrický náboj. Ten je dále zpracováván centrální elektronickou částí sonografu na výsledný obraz.
Obr. 2.6: Fyzikální princip: a) vysílání akustické vlny, b) příjem akustické vlny. Podle [22].
Obr. 2.7: Princip ultrazvukové sondy: přepínání sondy mezi vysíláním a přijímáním vln. Podle [22].
Rozdělení vyšetřovacích sond: [25]
• povrchové - lineární, sektorová, konvexní
• dutinové - vaginální/rektální, esofageální, laparoskopická
Rozdělení vyšetřovacích sond podle vzniklého obrazu: [21][25]
• lineární - je tvořena řadou rovnoběžných měničů, obraz je ve tvaru obdélníku, frekvence 5–50 MHz
• sektorová - UVZ paprsek je postupně vychylován, obraz je tvaru široké kruhové výseče, frekvence 2–3 MHz
• konvexní - tvořena řadou konvexních měničů, obraz je ve tvaru kruhové výseče, frekvence 2,5–5 MHz
• ostatní - 3D sondy, endosondy, dopplerovské sondy
Obr. 2.8: Typy sond: a) lineární, b) konvexní, c) sektorová. Podle [25].
Lineární sonda
Sonda je tvořena více piezoměniči (až několik set), které jsou uspořádány v řadě (přímce). Obraz vzniká postupným zapojováním měničů. Výhodou výsledného pravoúhlého obrazu je zachycení větší oblasti těla a jeho přehlednost. Nevýhovou je špatná proveditelnost interktostálního vyšetření (pod žebrami nebo nad symfýzou).
Sektorová sonda
Její výhodou je možnost vyšetřovat danou oblast z poměrně malé plochy, přes tzv. akustické okno. Toho se využívá při vyšetření tkání z mezižeberních prostorů (srdce, játra). [25]
Konvexní sonda
Představuje kombinaci obou výše uvedených typů sond. Uspořádání měničů je stejné jako u lineární, ale tvar plochy s měniči je konvexní a obraz se blíží sektorovému [25].
Obr. 2.9: Uspořádání měničů. Podle [32].
Obr. 2.10: Uspořádání měničů. Podle [32].
1.8.3. Ovládací panel
Rozložení ovládacích prvků se liší v závislosti na výrobci a typu ultrasonografu. Ovládací prvky jsou v podobě tlačítek, klávesnice, otočných a posuvných prvků. Dalším důležitým prvkem je kulový ovládač (trackball), sloužící k pohybu po obrazovce (změna polohy a velikosti sektoru, pohyb značkami kaliper, pohyb vzorkovacího objemu pulsního dopplera). Klávesnice slouží k zadávání údajů o pacientech a k popisu obrazu [25].
1.8.4. Rozlišení přístroje
Schopnost ultrazvukového přístroje rozlišit dva objekty, které jsou od sebe navzájem vzdáleny o délku jejich průměru, se označuje jako rozlišovací schopnost [12].
Rozlišovací schopnost:
• axiální (osové, ve směru šíření vlny) prostorové rozlišení – "určeno nejkratší vzdáleností dvou rozlišitelných struktur ležících v ose svazku, je závislé na frekvenci (pro 3,5 MHZ je cca 0,5 mm)" [30], [12]
• laterální (stranové, ve směru kolmém na směr šíření vlny) rozlišení – "určeno nejkratší vzdáleností dvou rozlišitelných struktur kolmou k ose svazku, je závislé na šířce svazku" [30, 12]
• elevace – "schopnost rozlišit dvě roviny (řezy) ležící pod nebo nad zobrazenou tomografickou rovinou, je závislá na frekvenci i geometrii svazku)"[30, 12]
Axiální rozlišovací schopnost
Pokud se ve směru šíření ultrazvukového vlnění vyskytují dvě akustická rozhraní, vznikají dva odrazy. Obě rozhraní lze rozlišit jen tehdy, je-li časový interval mezi odrazy delší, než je doba trvání impulsu. V opačném případě obě rozhraní splynou. Axiální rozlišení lze zvětšit zvýšením frekvence ultrazvukového vlnění (čím vyšší je frekvence, tím kratší je vysílaný impuls) [12].
Laterální rozlišovací schopnost
Laterální rozlišení přístroje určuje šířka svazku vysílaných ultrazvukových vln. Fokusací svazku jej lze zvýšit. Typická hodnota laterálního rozlišení odpovídá 2–3 vlnovým délkám [12].
1.8.5. Obrazový záznam a vyhodnocení
1.8.6. Obrazové artefakty
Artefakty jsou obrazové změny, které neodpovídají skutečnému stavu objektu. Při ultrasonografickém vyšetření docháí k několika druhům artefaktů. Je potřeba je umět rozeznat od skutečného obrazu zkoumaného orgánu, neboť mohou simulovat patologický stav.
Odraz
Vzniká na silně odrazných objektech, např. kostech, vzduchu apod. [12].
Obr. 2.11: Odraz na silně odrazných objektech. Podle [12].
Obr. 2.12: Odraz na skloněné ploše. Podle [12].
Zesílení odrazu
Při průchou oblastí s menším útlumem dochází k falešnému zesílení [12].
Obr. 2.13: Zesílení. Podle [12].
Okrajové zkreslení
Dochází k němu při úplném odrazu okrajových paprsků [12].
Obr. 2.14: Okrajové zkreslení. Podle [12].
Ozvěna
Při průchodu vlny přes dvojité rozhraní, vzniká na nich opakovaný odraz [12].
Obr. 2.15: Ozvěna. Podle [12].
Zrcadlení
[25]
Obr. 2.16: Zrcadlení. Podle [12].
Vibrace tkání
K vibracím tkání může docházet při turbulentním proudění krve za zúžením cév [12].
Obr. 2.17: Vibrace tkání. Podle [12].
Změna snímacího úhlu
"reverse-flow a "flow acceleration" artefakt [12]
Obr. 2.18: Změna snímacího úhlu. Podle [12].
Stíny
V dopplerovských módech může dojít ke vzniku stínů, což má za následek vznik několika zdánlivě spolu nesouvisejících obrazů [12].
Obr. 2.19: Stíny v dopplerovských módech. Podle [12].
1.8.7. Negativní vliv, rizikové faktory
Možná rizika: [25]
• ohřev tkáně během vyšetření (tkáň dospělé osoby nad 41° C, tkáň embryonální nad 39,5° C)
• ultrazvuková kavitace (vznik bublin, aplikace echokontrastních látek riziko zvyšuje)
• chybné provedení a interpretace obrazu (artefakty)
1.8.8. Minimalizace rizik
• zvolení vhodného typu sondy
• nastavení akustického výkonu na nejnižší možnou hodnotu (nepřekračovat limity tepelného indexu TI a mechanického indexu MI)
• úprava hloubkového zesílení (TGC)
• nastavení zóny fokusace do oblasti záznamu
• nastavení zesílení na optimální hodnotu, případně i na maximální [25]
2. Dopplerometrie
Dopplerometrie je metoda, která využívá dopplerova jevu k detekci pohybu a rychlosti proudící krve. Jestliže se ultrazvukové vlnění odráží od objektu (erytrocyty v krvi) jeho frekvence se změní (frekvence odražené vlny je jiná, než frekvence vyslané vlny). Amplituda odražené vlny je přímo úměrná druhé mocnině celkového počtu erytrocytů [25]. Rozdíl frekvencí fd vyslané a odražené vlny je popsán rovnicí Dopplerova posuvu:
• fv frekvence vyslané uvz vlny
• v rychlost proudění krve
• c rychlost šíření ultrazvukových vln v daném prostředí (1540 m/s v krvi)
• α dopplerovský úhel
Dopplerovský úhel je úhel, který svírá směr šíření dopplerova signálu se směrem toku krve [25].
Obr. 2.20: Dopplerovský úhel.
2.1. Typy měřičů
Rozlišujeme dva typy měřičů podle způsobu vysílání a přijímání ultrazvukových vln: [25]
• systémy s nemodulovanou nosnou vlnou (CW - continuous wave)
• systémy s impulsně modulovanou nosnou vlnou (PW - pulse wave)
Obr. 2.21: CW - kontinuální vlna, PW - impulsová vlna. Podle [28].
Systémy s nemodulovanou vlnou (CW)
Tyto dopplerovské systémy mají dva měniče stejné frekvence (tvar i počet může být různý), jeden slouží jako vysílač, druhý jako přijímač. Měniče spolu svírají velmi tupý úhel, díky čemuž se vysílaný i přijímaný svazek překrývají v tzv. citlivé oblasti (dlouhá i několik cm). Signály toku jsou zachycovány z různých hloubek a procházi-li citlivou oblastí dvě a více cév, je obtížné rozlišit rychlosti toku v jednotlivých cévách - "chybí axiální rozlišení a v důsledku toho nelze určit hloubka, ze které signál přichází" [29]. Vzhledem k této nevýhodě jsou systémy s nemodulovanou vlnou konstruovány jen jako směrové a jsou určeny k detekci a měření toku v povrchových cévách. Směr toku k sondě je označován jako dopředný, směr od sondy jako zpětný [25].
Systémy s impulsně modulovanou vlnou (PW)
Ultrazvukový signál je vysílán v krátkých impulsech. Jeden elektroakustický měnič střídavě přepíná mezi vysíláním a přijímáním vln [28]. Rytmus vysílání vln, označený jako opakovací frekvence, je v horní oblasti frekvencí omezen dobou potřebnou k návratu odraženého signálu. Doba mezu vysláním a příjmem impulzu je přímo úměrná vzdálenosti cévy od sondy [29].
2.2. Duplexní a triplexní metody
Duplexní metody
Duplexní systémy jsou založeny na kombinaci dvojrozměrného dynamického zobrazení (B mód) s impulsním dopplerovským měřením průtoku. Využití je především v echokardiografii [25].
Triplexní metody
Založeny na kombinaci B módu se spektrální křivkou a barevným dopplerovým zobrazením [29].
2.3. Typy barevného kódování
Barevné dopplerovské zobrazení se skládá z barev a odstínů šedé. Šedá část zobrazení informuje o odrazivosti a struktuře prostředí (tkání). Barvy určují pohyb vyšetřovaných oblastí, jsou závislé na rychlosti toku [30].
Kódování:
• modrá barva - tok krve od sondy
• červená barva - tok krve k sondě
• jas barev - úměrný rychlosti
• zelené skvrny - zobrazení turbulencí
pravidlo BART - BA = blue away, RT = red towards
2.4. Technologie dynamického toku
2.5. Energetický doppler
Energetický doppler (Power Doppler) využívá celou energii dopplerovského signálu. Pouhá detekce toku krve je málo závislá na dopplerovském úhlu. Zobrazuje i velmi pomalé toky, jako např. perfuze tkání a orgánů. Nezobrazuje směr toku [30].
2.6. Výhody dopplerometrie
3. Echokontrastní látky
4. Ultrazvuková diagnostika
4.1. Vyšetření orgánů
4.2. Echokardiografie srdce
4.3. Intrakraniální ultrazvuk
4.4. Transkraniální ultrazvuk
4.5. Endosonografie
4.6. Vysokofrekvenční ultrasonografie
4.7. Ultrazvuková densitometrie
5. Ultrazvuková terapie
Ultrazvuková energie přímo vyvolává mechanické účinky v tkáních, toho se využívá v ultrazvukové terapii a chirurgii [27].
Biologické účinky: [31]
• tepelné účinky
• kavitace
• mechanické
• chemické apod.
Mechanické a chemické účinky: [31]
• "mikromasáž" - zvýšení propustnosti permeabilních membrán
• urychlení difúze - mezi buňkami a tkáněmi, prokrvení tkání a látkové výměny
• poškození buněk - při vyšších intenzitách je nevratné, využití v ultrazvukové chirurgii, u erytrocytů dochází k meholýze
Biochemické účinky: [31]
• změna specifické aktivity enzymů, nukleových kyselin, protilátek a imunokoplexů
• změna vazeb na prostředí, elektrochemické vlastnosti - stimulace a inhibice tkání
• oxido-redukční reakce, polymerizační reakce a intramolekulární přestavba
Bezpečnost: [31]
• posouzení intenzity ultrazvuku
• v uzv diagnostice - frekvence 1–20 MHz
• intenzita (prostorově špičková, časově průměrná) do 720 mW.cm-2, v očním lékařství do 50 mW.cm-2
• expoziční čas 1–500 s, max. expozice 15 min.
• maximální MI do 1,9, v očním lékařství maximální MI 0,23 a TI 1
5.1. Termální efekt
Průchodem ultrazvuku tkání se část energie absorbuje, kinetická energie molekul tkání se zvětší a dojde ke zvýšení teploty [27]. Na rozhraní dvou prostředí s různou akustickou impedancí dochází ke vzniku teplotního rozdílu, ten má analgetický účinek a využívá se ve fyzioterapii [31].
Absorpce ultrazvuku v tkáních závisí na: [31]
• frekvenci
• kinetické vizkozitě
• termoregulačním mechanismu kůže - zajištění přenosu tepla do dalších tkání
5.2. Kavitace
Šířením ultrazvuku prostředím dochází k rozkmitání jeho molekul a tím k rychlým změnám tlaku. Vlivem rychlého střídání lokálního tlaku dochází k tzv. kavitaci (vznik bublinky, které rychle kolabují)[27]. Ke kavitaci dochází v kapalinách, způsobuje urychlení chemických reakcí a změny vlastností biomakromolekul [31].
V chirurgii se kavitace využívá k poruše a zániku buněk [31].
Kavitační práh - hodnota akustického tlaku nebo intenzity, při kterých dojde ke kavitaci [31].
5.3. Ultrazvuková fyzioterapie
Ve fyzioterapii se využívá analgetického účinku ultrazvuku, který vzniká teplotním rozdílem na rozhraní dvou prostředí s různou akustickou impedancí.
5.4. Ultrazvuková chirurgie
V chirurgii se využívá kavitačních a tepelných účínků ultrazvuku. Využívá se především k výkonům na oku, k odstraňování zubního kamene, osteosyntéze, drcení ledvinových kamenů, léčbě tumorů pomocí hypertermie, v kardiovaskulární chirurgii k odstraňování aterosklerotických plátů, v urologii (nádory prostaty), v gynekologiie (zákroky na vaječnících), chirurgii plic a jater (resekce tkáně s nádorem), plastické chirurgii (odstranění tukové ktáně) [31].
• užitá intenzita 10 W.cm-2, v ohnisku až 20 kW.cm-2
• doba aplikace - 1–20 s, podle druhu chirurgického výkonu
• pracovní frekvence - 20–40 kHZ, 1–7 MHz [31]
Chirurgie oka
Ultrazvukovým vybuzením břitů chirurgických nástrojů zvýší jejich řeznou schopnost. Okraje rány jsou rovné, dochází k minimalizaci traumatizace okolní tkáně, po srůstu rány je zjizvení minimální [31].
Operační výkony: [31]
• lensektomie - při implantaci umělé čočky je potřeba roztříštění (fragmentace) odsátí (aspirace) původní oční čočky
• extrakce katarakty (šedý zákal) - odstranění povrchových vrstev rohovky
• plastické operace - očních víček, skléry (bělmo oka)
• pracovní frekvence: 40 kHz
• intenzita: 12 W.cm-2
• doba aplikace: 2–20 s [31]
Odstranění zubního kamene
Využívá se kavitace, vznikající ve vodě stékající po kmitajícím nástroji [31].
• pracovní frekvence: 24–42 kHz
• intenzita: větší než 10 W.cm-2
• napětí pro buzení měničů: 400–500 V [31]
Litotrypse
Ultrazvukové drcení ledvinových, žlučníkových kamenů a kamenů močového měchýře, provádí se s rázovou vlnou. Jedním ze způsobu drcení je využití sonotrody. Daný konkrement je zaměřen pomocí rtg nebo ultrazvukem. Zavede se nefroskop se sonotrodou. Sonotroda je v přímém kontaktu s konkrementem, dochází k jeho drcení [31]. Častějším způsobem je využití externího zdroje UZV - litotryptoru.
• pracovní frekvence: 23–28 kHz
• výkon pro buzení měničů: 50–100 W
• amplituda kmitů: 20–70 μm [31]
5.5. Hypertermie HIFU a ablace
Hypertermie
Princip je podobný mikrovlnné hypertermii. Její využití je v léčbě tumorů, alternativa k radioterapii. Ultrazvukový svazek musí být fokusován do ložiska tumoru tak, aby nedocházelo k poškození okolní tkáně. Nádorová tkáň se zahřívá na teplotu 41–43° C, doba aplikace je 20 min. V rameni portálu je zafixováno 6 fokusovaných měničů o průměru 70 mm a pracující na frekvenci 1 MHz. Každý z měničů je buzen generátorem o výkonu 80 W. Zařízení je možno nastavit v 5-ti stupních volnosti (osy x, y, z, rotace, náklon) krokovými motorky s přesností na +- 1mm a +- 0,25°. Teplota je kontrolována termočlánky s přesností +- 0,1° C [31].
5.6. Kosmetické aplikace
6. Speciální zobrazovací techniky
6.1. Elastografie
6.2. Impediografie
6.3. Ultrazvukový tomograf
6.4. Spekle tracking imaging
Test č. 2
| « zpět | další » | |