Ιατρικό Υπερηχογράφημα
Τι είναι το Υπερηχογράφημα
Ο υπέρηχος δεν διαφέρει πολύ από τα ηχητικά κύματα που γνωρίζουμε, εκτός από το ότι δεν μπορούμε να ακούσουμε τον «ήχο» του. Όταν η συχνότητα των ηχητικών κυμάτων φθάνει πάνω από 20 kHz, που είναι πέρα από το εύρος που μπορούν να αντιληφθούν οι κανονικοί άνθρωποι, αυτό το είδος ηχητικών κυμάτων ονομάζεται υπερήχος. Ομοίως, εάν η συχνότητα ενός ηχητικού κύματος είναι χαμηλότερη από το εύρος που μπορούν να ακούσουν οι άνθρωποι, είναι ένα κύμα υπερήχων. Έτσι, σε άλλες φυσικές ιδιότητες, τα υπερηχητικά κύματα είναι βασικά τα ίδια με τα ηχητικά κύματα. Ο υπέρηχος/ηχητικό κύμα είναι ένας τύπος μηχανικού κύματος, διαμήκους κύματος και κυμάτων πίεσης. Διαδίδεται με τη δόνηση των σωματιδίων και η δόνηση των σωματιδίων θα συνεχίσει να δημιουργεί περιοχές σχετικά υψηλής και χαμηλής πίεσης (όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα) και η κατεύθυνση της δόνησης είναι σύμφωνη με την κατεύθυνση διάδοσης, επομένως η διάδοση των υπερηχητικών κυμάτων απαιτεί ένα μέσο. Κάτω από διαφορετικά μέσα, η ταχύτητα των υπερηχητικών κυμάτων είναι διαφορετική. Για παράδειγμα, η ταχύτητα στον αέρα είναι περίπου 340 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, στο ανθρώπινο σώμα, είναι περίπου 1540 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, και η ταχύτητα στο κενό είναι 0. Ο υπέρηχος έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, ειδικά στον ιατρικό τομέα. Ως μη ραδιενεργός μέθοδος, ο υπέρηχος μπορεί να βοηθήσει τους γιατρούς να κάνουν καλύτερη διάγνωση των ασθενών. Θα επεκταθεί λεπτομερώς αργότερα.
Πώς να δημιουργήσετε υπερήχους
Η δημιουργία υπερηχητικών κυμάτων και η παραγωγή ηχητικών κυμάτων βασίζονται στην ίδια αρχή. Για τα ηχητικά κύματα, χρησιμοποιούμε συνήθως το τηλέφωνο ως παράδειγμα. Κατά την ομιλία, ο ήχος (μηχανική ενέργεια) μετατρέπεται σε ηλεκτρικά σήματα (ηλεκτρική ενέργεια) που ταξιδεύουν στο άλλο άκρο, και στη συνέχεια κατά την ακρόαση, τα ηλεκτρικά σήματα μετατρέπονται ξανά σε ήχο. Αυτό είναι ακριβώς το ίδιο με τη διαδικασία παραγωγής και λήψης υπερηχητικών κυμάτων και η αρχή τους είναι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ότι ορισμένα υλικά, όπως ο χαλαζίας, θα δημιουργήσουν έναν ορισμένο βαθμό τάσης στην επιφάνειά του όταν υποβληθεί σε μηχανική πίεση. και αν εφαρμόσουμε τάση στην επιφάνειά του, θα δημιουργήσει έναν ορισμένο βαθμό μηχανικής παραμόρφωσης. Στη συνέχεια, μέσω ακριβούς ελέγχου ηλεκτρικού σήματος, μπορούμε να δημιουργήσουμε και να λάβουμε υπερηχητικά κύματα. Επί του παρόντος, το PZT είναι το πιο κοινό υλικό που χρησιμοποιείται σε όργανα υπερήχων. Στην κανονική λειτουργία του οργάνου, τα υπερηχητικά κύματα εμφανίζονται συνήθως με τη μορφή παλμών και όχι συνεχών κυμάτων, έτσι γενικά, το PZT λαμβάνει το σήμα ηλεκτρικού παλμού, παράγει ένα υπερηχητικό κύμα και στη συνέχεια αρχίζει να παρακολουθεί και η λήψη επιστρέφει ένα μετά το άλλο. Τα υπερηχητικά σήματα μετατρέπονται σε αντίστοιχα ηλεκτρικά σήματα για περαιτέρω επεξεργασία δεδομένων και ο κύκλος επαναλαμβάνεται μέχρι να ολοκληρωθεί η σάρωση.
Διάδοση των υπερήχων στο ανθρώπινο σώμα
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ταχύτητα των κυμάτων υπερήχων στο ανθρώπινο σώμα είναι περίπου 1540 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, που είναι στην πραγματικότητα μια μέση τιμή και είναι επίσης η ταχύτητα βαθμονόμησης που χρησιμοποιείται από τα όργανα υπερήχων στις περισσότερες περιπτώσεις. Όπως θα αναφερθεί αργότερα, η απεικόνιση υπερήχων βασίζεται στην εκτίμηση της ταχύτητας υπερήχων και η ακρίβειά της θα έχει άμεσο αντίκτυπο στην ποιότητα της εικόνας. Στη συνέχεια, για διαφορετικά όργανα και ιστούς, η ταχύτητα μετάδοσης είναι διαφορετική. Για παράδειγμα, είναι περίπου 1510 μέτρα ανά δευτερόλεπτο στον εγκέφαλο, περίπου 1560 μέτρα ανά δευτερόλεπτο στο ήπαρ και τα νεφρά, 1570 μέτρα ανά δευτερόλεπτο στους μύες κ.λπ. Αυτά δεν διαφέρουν πολύ από τον μέσο όρο. Ωστόσο, η ταχύτητα υπερήχων στο λίπος είναι μόνο περίπου 1440 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτή η διαφορά ταχύτητας κάνει την ποιότητα της εικόνας με υπερήχους να μειώνεται σημαντικά για παχύσαρκους ασθενείς, επομένως σε αυτήν την περίπτωση, το όργανο θα επαναβαθμονομήσει ή θα προσαρμόσει δυναμικά την ταχύτητα.
Δεδομένου ότι ο υπέρηχος είναι ένα είδος κύματος, θα παράγει επίσης φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με τα κύματα με διάφορους ιστούς και όργανα κατά τη διάδοση του ανθρώπινου σώματος. Αυτά τα φαινόμενα αποτελούν τη βάση για την απεικόνιση με υπερήχους. Κυρίως μετάδοση, ανάκλαση, σκέδαση και διάθλαση. Όταν το PZT εκπέμπει υπερηχητικά κύματα και συναντά ανθρώπινα όργανα/ιστούς, μέρος των κυμάτων μπορεί να διεισδύσει και να συνεχίσει να διαδίδεται βαθιά στο ανθρώπινο σώμα κατά μήκος της αρχικής κατεύθυνσης, που είναι η μετάδοση και η ενέργεια των κυμάτων θα απορροφηθεί εν μέρει στη διαδικασία. το υπόλοιπο τμήμα των κυμάτων Επιστρέφοντας προς την αντίθετη κατεύθυνση και λαμβάνεται από το PZT, αυτό το τμήμα είναι το ανακλώμενο κύμα και το σήμα αυτών των ανακλώμενων κυμάτων είναι η κύρια πρώτη ύλη για την απεικόνιση. η ενέργεια των διάσπαρτων κυμάτων είναι συνήθως πολύ μικρή και τα διαθλούμενα κύματα θα παρεμβαίνουν στην απεικόνιση. Βασικά, η ικανότητα του υπερήχου να μεταδίδει και η ικανότητα των οργάνων/ιστών να απορροφούν τον υπέρηχο καθορίζει πόσο βαθιά μπορεί να «βλέπει» ο υπέρηχος. Επειδή όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο ισχυρότερη είναι η διείσδυση του υπερήχου, επομένως όταν οι γιατροί πρέπει να δουν βαθύτερα, συχνά χρησιμοποιείται ανιχνευτής χαμηλότερης συχνότητας (Transducer), αλλά η χαμηλή συχνότητα συνήθως προκαλεί υποβάθμιση της ποιότητας της εικόνας. Αυτό είναι ένα συμβιβασμό που πρέπει να γίνει και θα συζητηθεί λεπτομερώς αργότερα όταν θα μιλήσουμε για ανιχνευτές.
Εισαγωγή στην Ιατρική Απεικόνιση με Υπερήχους
Με την εμβάθυνση των ερευνητικών και ιατρικών αναγκών, οι εικόνες υπερήχων έχουν αλλάξει από μόνο 1D σε 3D/4D. Τα όργανα υπερήχων μπορούν πλέον να υποστηρίξουν μια ποικιλία τρόπων απεικόνισης για να καλύψουν τις ανάγκες διαφορετικών ασθενών και γιατρών. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορες κύριες λειτουργίες απεικόνισης.
A-mode: Είναι η λεγόμενη 1D, η οποία είναι η απλούστερη λειτουργία. Ο ανιχνευτής εκπέμπει ένα κύμα υπερηχητικών κυμάτων προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και το όργανο παρουσιάζει την εξίσωση μεταξύ του ανακλώμενου σήματος και του βάθους και η εικόνα είναι παρόμοια με το σήμα που βλέπουμε συνήθως σε έναν παλμογράφο. Η λειτουργία A ήταν η κύρια λειτουργία των πρώιμων οργάνων υπερήχων και χρησιμοποιείται λιγότερο τώρα, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την καθοδήγηση κυμάτων υψηλής ενέργειας για τη θεραπεία όγκων κατά τη διάρκεια χειρουργικής επέμβασης.
Λειτουργία B: Β είναι η φωτεινότητα εδώ. Σε αυτήν τη λειτουργία, ο ανιχνευτής σαρώνει μια περιοχή και δημιουργεί μια εικόνα 2D σε κλίμακα του γκρι. Αυτή είναι μια από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες λειτουργίες. Όσο πιο ανοιχτό είναι το χρώμα (λευκό), τόσο πιο ισχυρό είναι το ανακλώμενο σήμα, γενικά η επιφάνεια του οργάνου/ιστού, και όσο πιο σκούρο είναι το χρώμα (μαύρο), τόσο πιο αδύναμο είναι το ανακλώμενο σήμα.
M-mode: Το M είναι η κίνηση εδώ. Στη λειτουργία κίνησης, το όργανο εκτελεί γρήγορη σάρωση και απεικόνιση σε λειτουργία Β, έτσι ώστε ο γιατρός να μπορεί να δει την κίνηση του οργάνου, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διάγνωση που σχετίζεται με την καρδιά.
Λειτουργία Doppler: Λειτουργία Doppler, που πήρε το όνομά της από τη χρήση του φαινομένου Doppler για τη μέτρηση της ταχύτητας κινούμενων αντικειμένων. Στη λειτουργία Doppler, οι γιατροί μπορούν να παρακολουθούν τη ροή και την κατεύθυνση του αίματος για να εντοπίσουν πιθανές βλάβες στα αιμοφόρα αγγεία.
Έγχρωμο Doppler: Αυτή η λειτουργία μπορεί απλά να κατανοηθεί ως λειτουργία B-mode/M-mode συν Doppler, δηλαδή, με βάση τις εικόνες σε κλίμακα του γκρι 2D, η λειτουργία doppler και η βαθμονόμηση χρώματος χρησιμοποιούνται για την εμφάνιση της θέσης, της ροής του αίματος, του ρυθμού ροής και κατεύθυνση των αιμοφόρων αγγείων.
3D/4D: Η λειτουργία 3D είναι μια τρισδιάστατη εικόνα που μπορεί να παρουσιάζει όργανα/ιστούς. Όσο για το 4D, είναι μια τρισδιάστατη εικόνα σε πραγματικό χρόνο. Ενώ πολλά προηγμένα όργανα υπερήχων αναπτύσσουν λειτουργίες 3D και 4D, γενικά δεν χρησιμοποιούνται πολύ.
