Ultrazvuk, technológia využívajúca zvukové vlny s vysokou frekvenciou, má širokú škálu využití v mnohých oblastiach, vrátane medicíny a priemyslu. Jeho história však siaha do počiatkov 20. storočia do armády, kedy vedci prvýkrát objavili spôsoby, ako využiť ultrazvukové vlny na rôzne aplikácie.
Prvý významný pokrok v oblasti ultrazvuku bol učinený počas prvej svetovej vojny. Francúzsky fyzik Paul Langevin, spolu so svojím tímom, vyvinul prvé ultrazvukové zariadenie, ktoré malo slúžiť na detekciu ponoriek. Toto zariadenie, známe ako sonar (Sound Navigation And Ranging), využívalo vysokofrekvenčné zvukové vlny na odraz od objektov pod hladinou vody a malo pomôcť spojencom v boji proti nemeckým ponorkám.
Sonar sa stal kľúčovým nástrojom počas druhej svetovej vojny, kedy bol hojne využívaný ako spojencami, tak aj osami pre detekciu nepriateľských ponoriek a lodí. Vývoj sonarových technológií pokračoval aj po vojne a stal sa štandardným vybavením vojnových lodí po celom svete. Moderné sonarové systémy umožňujú nielen detekciu ponoriek, ale aj mapovanie morského dna a sledovanie podvodných objektov.
Okrem svojho vojenského využitia našiel ultrazvuk svoje miesto aj v medicíne. V päťdesiatych rokoch 20. storočia začali armádne výskumné laboratóriá v USA a Veľkej Británii skúmať možnosti použitia ultrazvuku pre diagnostické účely. Prvé ultrazvukové skenery boli vyvinuté pre vojenské nemocnice a slúžili na diagnostiku zranení a chorôb vojakov. Tento výskum viedol k rozvoju moderných medicínskych ultrazvukových zariadení, ktoré sú dnes bežne používané v civilných zdravotníckych zariadeniach.
Ultrazvuková technológia sa ukázala byť neoceniteľnou tiež priamo na bojisku. Prenosné ultrazvukové skenery umožňujú medicínskemu personálu rýchlo a presne diagnostikovať zranenia a rozhodnúť o najlepšom postupe liečby. Tento typ technológie je zvlášť dôležitý v prípadoch, kedy je nutná rýchla a presná diagnostika, napríklad pri vnútorných zraneniach alebo krvácaní.
História ultrazvukovej diagnostiky a terapie
Ultrazvuk odkazuje na zvukovú vlnu s frekvenciou vibrácií vyššou ako 20 kHz, ktorá má vlastnosti silnej penetračnej sily a dobrej smerovosti. V prírode niektoré zvieratá používajú ultrazvuk na detekciu okolitých cieľov alebo prekážok, a to tiež dáva ľudstvu osvietenie.
Prvá písomná správa o použití zvukovvln na priestorové určovanie polohy sa datuje do roku 1794. Lazaro Spallanzani analyzoval základný mechanizmus netopierov pre priestorové určovanie polohy a veril, že netopiere používajú iné mechanizmy na určovanie polohy, a nie vizuálny priestor.
V roku 1880 Galton vytvoril a vyrobil zariadenie schopné generovať zvukové vlny s frekvenciou 40 000 Hz. V tom istom roku bratia Jacques a Pierre Curie poukázali na to, že mechanické vibrácie kremenných kryštálov môžu vytvárať elektrickú energiu a tento jav sa teraz nazýva piezoelektrický efekt. Inverzný piezoelektrický efekt objavili aj bratia Jacques a Pierre Curie. Kryštály kremeňa môžu pri zmenách elektrického náboja vibrovať a vytvárať ultrazvukové vlny.
V roku 1912 Richardson vynašiel echolokátor založený na koncepcii ultrazvuku, ktorý slúžil na navigáciu a detekciu predmetov vo vode. V roku 1929 Sokolov navrhol teóriu šírenia zvuku a na začiatku 30. rokov minulého storočia začal používať ultrazvuk na zisťovanie vnútorných defektov kovových štruktúr.
V roku 1937 sa bratia Dussigovci pokúsili použiť ultrazvuk na zobrazenie štruktúry komory, ale ich pokus bol neúspešný, pretože ultrazvuk nedokázal preniknúť do štruktúry kostí. Ludwig a Stuters začali používať pulzný ultrazvuk na detekciu žlčníkových kameňov v štyridsiatych rokoch minulého storočia. V roku 1956 Ian Donald v praxi skutočne použil jednorozmerný režim (ultrazvuk v režime A) na meranie priemeru parietálneho laloku hlavy plodu. O dva roky neskôr Donald a Brown zverejnili ultrazvukové snímky nádorov ženských pohlavných orgánov. Súčasne Brown vynašiel takzvaný "dvojrozmerný skener zlúčenín", ktorý umožňuje skúšajúcim pozorovať a analyzovať hustotu tkanív. Toto sa často označuje ako bod zlomu v lekárskej aplikácii ultrazvuku.
V roku 1942 bol rakúsky lekár priekopníkom aplikácie penetračného ultrazvukového zobrazovania pri diagnostike ľudského mozgu. Napriek tomu, že zobrazovací efekt obrazu mozgu získaného touto metódou bol veľmi zlý, do klinickej lekárskej diagnostiky inovatívne zaviedol ultrazvukové zobrazovanie. Táto práca je stále považovaná za míľnik v oblasti lekárskeho ultrazvukového zobrazovania. Od tej doby, s prehlbovaním teoretického výskumu ultrazvuku, boli neustále navrhované, zdokonaľované a komercializované rôzne metódy ultrazvukového zobrazovania a dodnes je k dispozícii nekonečný prúd nových metód ultrazvukového zobrazovania.
Vývoj ultrazvuku v medicíne
Aplikácia ultrazvukovej terapie je skoršia ako ultrazvuková diagnostika. V roku 1922 malo Nemecko prvý patent na vynález ultrazvukového terapeutického prístroja. Až v roku 1942 sa Nemec Dussik prihlásil na diagnostiku mozgových nádorov. Ultrazvuková diagnostika sa však rýchlo rozvíjala. V 50. rokoch 20. storočia bol doma i v zahraničí prijatý ultrazvukový prístroj typu A a následne bol predstavený ultrazvukový prístroj typu B na vykonávanie širokého spektra klinických aplikácií.
Vznik ultrazvuku získal tomografické sonogramy ľudských tkanív a orgánov s jasnými anatomickými štruktúrami a môže dynamicky zobrazovať dynamické obrazy mnohých orgánov, ako je srdce a veľké krvné cievy, čo je veľký prelom v technológii ultrazvukovej diagnostiky. Ultrazvuková dopplerovská detekčná technológia využívajúca Dopplerov princíp sa rýchlo vyvinula a z krivky Dopplerovho spektra možno merať množstvo hemodynamických parametrov. Nástup farebného dopplerovského zobrazovania prietoku (CDFI) na začiatku 80. rokov 20. storočia a superponovanie signálov farebného toku na dvojrozmerné sonogramy môžu nielen vizuálne zobraziť smer a rýchlosť prietoku krvi v srdci a krvných cievach, a urobiť vzorkovanie Dopplerovho spektra rýchlym a pohodlným.
V medicíne sa používa napríklad pri lekárskom vyšetrení, pretože ultrazvukové vlny prechádzajú telom a odrážajú sa od jednotlivých orgánov. Odrazené vlny možno počítačovo previesť do formy obrazu (sonografia). Ultrazvuk sa využíva aj na čistenie, kde sa využíva kavitácia - mechanické odstránenie nečistôt rýchlymi nárazmi kvapaliny rozkmitanej ultrazvukom na čistený predmet. Technológia sa používa na čistenie zložitých tvarových dielov.
Ďalšou možnosťou technického využitia je zvlhčovanie vzduchu, keď sa voda „rozpráši“ ultrazvukovým generátorom na malé čiastočky, ktoré sú schopné sa vznášať vo vzduchu. Pretože voda nebola zahrievaná, vytvára sa vodná hmla bez pár. Táto technológia sa využíva aj pri inhaláciách, kde v inhalačnom prístroji sa „rozprašuje“ voda, resp. liečivý roztok.
Priemerná rýchlosť šírenia ultrazvuku v ľudských mäkkých tkanivách je 1540 m/s, hodnota, ktorú pozná každý sonograf. George Döring Ludwig ako prvý zmeral priemernú rýchlosť šírenia ultrazvuku v ľudských mäkkých tkanivách.
Ultrazvukové zobrazovanie sa vyvíjalo postupne. V roku 1966 bola úspešne hlásená placentografia B-módu skupinou Denver v Spojených štátoch a skupinou doktora Donalda v roku 1967. Ultrasonografia (iné názvy: sonografia, ultrasonoskopia, echografia, USG, hovorovo: ultrazvuk, slangovo sono) je na ultrazvuku postavená diagnostická zobrazovacia technika, využívaná na vizualizáciu svalov a vnútorných orgánov, ich veľkostí, štruktúry, patológie alebo lézií. Všeobecne sa používa napríklad počas tehotenstva.
Do tela vyšetrovaného pacienta je vysielané ultrazvukové vlnenie vytvárané piezoelektrickým meničom o frekvencií 2 - 18 MHz a intenzite maximálne 10 Wm−2. Mäkké tkanivá sa správajú ako tekutina, ultrazvukové vlnenie je len priečne s priemernou rýchlosťou 1540 ms−1. Akustická impedancia, a teda i rýchlosť šírenia ultrazvukového vlnenia, však nie je vo všetkých tkanivách celkom rovnaká, tkanivá majú rozdielnu akustickú impedanciu. Na rozhraní dvoch tkanív s odlišnou akustickou impedanciou sú vhodné podmienky pre čiastočný odraz vlnenia.
Aby bolo vôbec možné registrovať odrazené vlnenie, vysiela sa ultrazvuk v milisekundových impulzoch s opakujúcou sa frekvenciou rádovo 102-103 Hz a registruje sa intenzita odrazených signálov i doba, za akú sa po vysielaní vráti do senzoru. Pretože vzduch má pre ultrazvukové vlnenie veľmi vysokú impedanciu, je potrebné zaistiť, aby vlnenie prechádzalo len vodným prostredím.
A-mód (Amplitude mode) je jednorozmerné zobrazenie, pri ktorom sa na tienidle zobrazujú amplitúdy odrazených signálov, výstupom vyšetrenia je teda krivka zobrazujúca závislosť korigovanej intenzity odrazeného signálu na čase uplynutom od vyslania signálu. Tento mód umožňuje presné meranie vzdialenosti. V jednorozmernom obraze je všeobecne ťažká orientácia, pretože vyšetrujúci si musí dobre predstaviť trojrozmernú štruktúru organizmu a v nej viesť iba jeden skúmajúci lúč. Jednorozmerné vyšetrenie najmä v A móde je podkladom napr. pre ďalšie módy.
B-mód (Brightness mode) je jednorozmerné zobrazenie, pri ktorom sa amplitúdy odrazených signálov prevádzajú do odtieňov šedej. Výstupom je úsečka zložená z pixelov o rôznom jase. Jasný bod zodpovedá vrcholu na krivke z A módu, tmavý úsek zodpovedá nulovej línii na krivke z A módu.
M-mód (Movement mode) je spôsobom jednorozmerného zobrazenia umožňujúci zobrazenie pohybujúcich sa štruktúr, najčastejšie srdca. Ide vlastne o dáta v B móde zobrazené za sebou v čase.
2D zobrazenie je základným zobrazením. Z 2D obrazu môžeme v prípade potreby získať i jednorozmerné obrazy v módu A, B a aj M. Dvojrozmerný obraz je získaný ako rada vedľa seba položených úsečiek jednorozmerného zobrazenia v B móde. Technicky sa dá získať niekoľko lúčov buď vychyľovaním lúčov jedného meniča, alebo použitím rady (array) meničov pracujúcich súčasne. 2D zobrazenie je široko využívanou metódou vyšetrenia vnútorných orgánov, lebo je pomerne ľahko dostupné a prakticky nezaťažujúce pacientov.
Používa sa napr. k diagnostickému zobrazeniu pečene, žlčníka a žlčových ciest, slinivky brušnej, dutiny pobrušnice, obličiek, močových ciest a močového mechúra, prostaty, semenníkov, pŕs, maternice, vaječníkov, srdca, ciev, štítnej žľazy, mäkkých kĺbových a okolo kĺbových štruktúr a u novorodencov dokonca i mozgu. Samozrejmosťou je i ultrazvukové vyšetrenie vyvíjajúceho sa plodu.
Moderným zobrazením je trojrozmerná rekonštrukcia radov dvojrozmerných snímkov. Najčastejšie sa takéto obrazy používajú v pôrodníctve, môžu však byť použité i napr. v ortopédii. Trojrozmerný obraz vzniká ako počítačová rekonštrukcia z radov za sebou ležiacich dvojrozmerných rezov. Aby bolo možné takúto rekonštrukciu uskutočniť, je dôležité poznať informácie o umiestnení jednotlivých rezov.
Klasická sonografia umožňuje získať informácie o rozmeroch statických tkanív. Využitím Dopplerovho javu je možné získať aj informáciu o rýchlostiach pohybu tkanív, obzvlášť krvi. Dôležité však je, že sa obvykle nezískajú skutočné rýchlosti, ale iba zložky rýchlosti v smere k sonde alebo od sondy. Preto pokiaľ bude sonda merajúca prietok krvi cievou umiestnenou kolmo na cievu, nameria nulovú rýchlosť.
CW mód je jednoduchší na technické riešenie, dáva však informáciu iba o priemernej rýchlosti pozdĺž ultrazvukového lúča. PW mód umožňuje merať nielen zmenu frekvencie medzi vysielaným a prijímaným signálom, ale i dobu, za akú sa odrazený signál vrátil k sonde. To umožňuje určiť nielen rýchlosť toku, ale i hĺbku, v ktorej došlo k odrazu. Doplerovské meranie v PW móde je možné na väčšine bežne používaných prístrojov, výsledok sa zobrazuje ako dvojrozmerný obraz nameraných rýchlostí.
Výsledky sa obvykle kódujú farebne (farebná kódovaná dopplerovská sonografia) - čím vyššia je v danom bode rýchlosť k sonde, tým jasnejším odtieňom červenej je zobrazený v zodpovedajúcom mieste na monitore, čím je väčšia rýchlosť od sondy, tým je jasnejší odtieň modrej. Táto voľba farieb má tú výhodu, že miesta s turbulentným prúdením sa zobrazia žlto. Ku zvýšeniu kontrastu obrazu a tým i citlivosti vyšetrenia, môžeme použiť vnútrožilovo podané kontrastné látky.
Abdominálna ultrasonografia je najpoužívanejšou zo zobrazovacích metód pri vyšetrení brucha. Prvé publikácie slovenských autorov o problematike brušnej ultrasonografie boli uverejnené v roku 1981. Zavŕšená dvadsaťročnica činnosti bola dostatočným podnetom na zhrnutie jej vývoja a úrovne podľa publikovaných prác.
Mechanizmy účinku ultrazvuku v medicíne
Ultrazvukovému liečebnému mechanizmu sa venuje niekoľko aspektov:
1. Mechanický účinok:
Účinok ultrazvuku, ako postupuje médiom. Ultrazvukové vibrácie môžu spôsobiť pohyb látok v bunkových tkanivách. Vďaka jemnej masáži ultrazvuku, prietoku cytoplazmy, oscilácii buniek, rotácii, treniu a tým aj účinku bunkovej masáže, známej aj ako "vnútorná masáž", je jedinečná ultrazvuková terapia. Charakteristiky môžu zmeniť permeabilitu bunkovej membrány, stimulovať proces disperzie semipermeabilnej membrány, podporovať metabolizmus, urýchliť cirkuláciu krvi a lymfy, zlepšiť ischémiu buniek a hypoxiu, zlepšiť výživu tkanív, zmeniť rýchlosť syntézy proteínov a zlepšiť regeneračnú funkciu. Zmeny vo vnútornej štruktúre bunky, čo vedie k zmenám vo funkcii bunky, umožňuje natiahnutiu a zmäknutiu tvrdého spojivového tkaniva. Mechanické pôsobenie ultrazvuku zmäkčuje tkanivo, zvyšuje penetráciu, zvyšuje metabolizmus, podporuje krvný obeh, stimuluje nervový systém a bunkové funkcie, a preto má jedinečný terapeutický význam pre ultrazvuk.
2. Ohrievanie:
Ľudské tkanivo má relatívne veľkú absorpčnú schopnosť pre ultrazvukovú energiu. Preto, keď sa ultrazvukové vlny šíria v ľudských tkanivách, ich energia sa kontinuálne absorbuje tkanivami a mení sa na teplo a v dôsledku toho sa zvyšuje teplota samotného tkaniva. Proces výroby tepla je proces premeny energie, pri ktorom sa mechanická energia v médiu premieňa na tepelnú energiu. To znamená endogénne teplo. Ultrazvukové otepľovanie môže zvýšiť krvný obeh, urýchliť metabolizmus, zlepšiť lokálnu výživu tkanív a zvýšiť aktivitu enzýmu. Všeobecne sú tepelné účinky ultrazvuku poznačené kosťou a spojivovým tkanivom s minimálnym obsahom tuku a krvi.
3. Fyzikálne a chemické účinky:
Mechanické aj tepelné účinky ultrazvuku môžu spôsobiť niekoľko fyzikálno-chemických zmien. Prax ukázala, že niektoré fyzikálne a chemické účinky sú často sekundárnymi účinkami vyššie uvedených účinkov. Stroj na úpravu TS-C má prostredníctvom fyzikálnych a chemických účinkov nasledujúcich päť hlavných účinkov:
- A. Disperzia: Ultrazvuk môže zlepšiť priepustnosť biofilmu. Po ošetrení ultrazvukom má bunková membrána silnú zmenu v priepustnosti iónov draslíka a vápnika. Tým sa zlepšuje difúzny proces biofilmu, podporuje sa výmena látok, urýchľuje metabolizmus a zlepšuje výživa tkanív.
- B. Tixotropia: Pod pôsobením ultrazvuku sa môže gél premeniť na solný stav. Zmäkčujúce účinky na svaly, šľachy a patologické zmeny spojené s deficitmi vody v tkanivách. Ako sú reumatoidné artritické lézie a liečba degeneratívnych lézií kĺbov, šliach a väzov.
- C. Kavitácia: Vzniká kavitácia alebo sa udržiava stabilná jednosmerná vibrácia, alebo sekundárna expanzia spôsobuje kolaps, zmeny bunkových funkcií a zvýšenie intracelulárnych hladín vápnika. Aktivujú sa fibroblasty, zvyšuje sa syntéza proteínov, zvyšuje sa vaskulárna permeabilita, urýchľuje sa angiogenéza a zvyšuje sa napätie kolagénu.
- D. Polymerizácia a depolymerizácia: Polymerizácia molekúl vody je proces syntézy viacerých identických alebo podobných molekúl do jednej väčšej molekuly. Makromolekulárna depolymerizácia je proces premeny makromolekulových chemikálií na malé molekuly. Môže zvýšiť aktivitu hydrolázy a proenzýmu v kĺbe.
- E. Protizápalové, opravné bunky a molekuly: Pri pôsobení ultrazvuku sa môže hodnota PH tkaniva vyvinúť na alkalickú. Zmierňuje lokálnu acidózu spojenú so zápalom. Ultrazvuk môže ovplyvniť prietok krvi, vyvolať zápalové účinky, inhibovať a hrať protizápalovú úlohu. Presúva biele krvinky a podporuje angiogenézu. Syntéza a dozrievanie kolagénu. Podporuje alebo zabraňuje procesu opravy a hojenia poranenia. Tým sa dosiahne proces čistenia, aktivácie a opravy poškodeného bunkového tkaniva.
Ultrazvukové testovanie sa tiež používa na testovanie pevnosti spájkovaných spojov pre odporové zváranie.
Kolísanie, ktoré môže počuť ľudské ucho, je približne 16 Hz až 20 kHz. Ak je frekvencia vlnenia vyššia ako tento rozsah, ľudia ju nemôžu počuť. Nazýva sa ultrazvuk.
Ultrazvukové vlny možno rozdeliť na pozdĺžne vlny, priečne vlny, povrchové vlny a modré vlny podľa smeru šírenia vlny. Prenos v materiáli sa prenáša podľa zákona energetickej nesmrteľnosti a zvukovávlna sa prenáša v látke, alebo ak sa látka zavádza do inej látky, jej energia je nevyhnutne oslabená účinkami zoslabenia, odrazu a lomu svetla; avšak v časti, kde je hustota materiálu veľká, sa zvyšuje akustický tlak (ale impedancia sa tiež mení). Veľká, energia sa stále znižuje a naopak, objem sa zvyšuje vo voľnej časti.