55. Приложения на ултразвука в медицината за лечение и диагностика. Ехография. Доплерова ехокардиография.

55.1. Приложение на ултразвука в медицинатаза лечение.

• Ултразвукова терапия – основава се на физикохимичното и топлинно действие на УЗ. Използват се непрекъснати потоци с честота около 800 kHz и интензивност от 5.10² до 10⁴ W/m². В резултат на облъчването се разширяват кръвоносни съдове, повишава се обмяната на веществата, наблюдава се изменение на кръвното налягане, кръвната захар, промяна в рН на кръвната плазма и др.
• УЗ хирургия. УЗ се използва на разрушаване на тъкани, например тумори в мозъка без да се нарушават костите, на бъбречни камъни и др. Използват се и УЗ скалпели. При тях хирургическите инструменти се свързват с магнитострикционни преобразуватели. Фокусираната УЗ хирургия е нов неинвазивен метод за лечение на тъканни аномалии чрез фокусиране на УЗ в малък обем от тъканта. Отделената топлина в мястото на фокусирането води до повишаване на температурата до 55-90^оС, в резултат на което настъпва денатурация на белтъците и некроза на тъканите. Дълбочината на проникване на УЗ зависи обратно пропорционално от честотата на УЗ. Съвременните УЗ терапевтични системи позволяват лечение на тумори с размери до 15х15 см и дълбочина до 8 см.
• УЗ се използва за полимеризация на свързващи вещества, използвани в стоматологията, в ортопедията за свързване на кости и др.
• Чрез УЗ могат да се вкарват чрез порите на кожата някои лекарствени вещества. Този метод се нарича фонофореза. Методът е сравним с инжектирането, но няма нарушаване на целостта на кожата и опасност от инфектиране. Количеството на внесеното лекарствено вещество в организма зависи от интензитета, честотата и продължителността на озвучаването.
• УЗ се използва при лечение на катаракта. Катарактата е сред най-често срещаните заболявания на окото. Единственото ефективно лечение е хирургичното отстраняване на потъмнената леща и замяната й с изкуствена вътреочна леща. Най-съвременния метод за премахване на увредената леща е чрез ултразвук и се нарича факоемулсификация. Ултразвуковия наконечник извършва вибрации с много висока честота, като по този начин раздробява потъмнената леша. Едновременно с това аспирира разбития материал.
• В денталната медицина, освен за физиотерапевтични цели, УЗ се прилага и за почистване на зъбен камък. То се прави с накрайник, който е част от магнитострикционен генератор и трепти с честота около 30 kHz.

55.2. Приложение на ултразвука в медицината за диагностика. Ехография. Доплерова ехокардиография.

Ултразвуковата диагностика е вторият по разпространеност метод след рентгеновата диагностика. През 30-те години на 20-ти век са правени неуспешни опити за използване на отслабването на ултразвуковите вълни в медицинската диагностика, по аналогия с рентгеновата.

52.2.1. Физични принципи на ултразвукова ехография.

Съвременната ултразвукова диагностика се базира на отражението (ехото) на ултразвуковите вълни (УЗ) на границите между среди с различен акустичен импеданс (акустично съпротивление) – принцип, използван за ориентация в пространството от прилепите, както и при радара. Комерсиални двумерни УЗ скенери се произвеждат от 1958 г., а първите УЗ образи на живи обекти са публикувани през 1952–53 г.

Първото условие за получаване на образ чрез отражение на механична вълна на границата между две среди е нейната дължина на вълната λ да е по-малка от напречните размери на граничната повърхност между двете среди; в противен случай тя дифрактира, т.е. преминава в средата без да се отрази. Затова в ехографията се използва УЗ с честота между 1 и 20 MHz, чиято дължина на вълната във вода е съответно 1,5 и 0,075 mm. Второто условие е двете среди да имат различен акустичен импеданс (акустично съпротивление) Z_а = ρc, където ρ е плътността на средата, а с – скоростта на звука в нея. Контрастен образ се получава поради разликата между Z_a  на биологичните тъкани – 0,18.10^-6 kg.s^-1.m^-2 за белите дробове, 1,34.10-6 kg.s^-1.m^-2 за мастните тъкани, 1,63.10^-6kg.s^-1.m^-2  за бъбреците и 1,65.10^-6kg.s^-1.m^-2 за черния дроб.

Принципната схема на ултразвуков ехограф е представена на фиг.55.1. Използва се УЗ с малка интензивност – от 10 до 50 W/m² и честота от 1 до 20MHz.

Фиг. 55.1.Снимка и принципна схема на ултразвуков ехограф.

Ултразвукът се генерира и се детектира с трансдюсер, основен елемент на който е пиезокристалът (най-често от синтетична керамика Pb-Zn-Ti), поставен между два електрода. Пиезокристалът изпълнява последователно ролята на генератор на падащата и на детектор на отразената УЗ вълна (фиг. 55.2). Генерирането на УЗ става с къси електрични импулси с продължителност ~1ms и амплитуда 150 V, при което се предизвиква механично трептение на стените на пиезокристала в УЗ честотната област. Изследваната анатомична област се пролъчва (озвучава) през кожата. На границата на две среди с различно акустично съпротивление падащият УЗ се отразява частично. Отразената УЗ вълна достига до трансдюсера, който е превключил в режим на детектиране. Тя създава механично налягане върху пиезокристала и предизвиква пиезоефект, т.е. между стените на пиезокристала възниква електродвижещо напре-жение. При детектирането амплитудата на пиезо-електродвижещото напрежение е пропорционална на интензитета на отразената УЗ вълна.

Модерните трансдюсери представляват линеен ред от 128, 256 или 512 малки правоъгълни пиезоелементи; чрез възбуждане на различен брой елементи се генерира УЗ с различна честота. Разработени са специални трансдюсери за телесни кухини – ендовагинални за изследване на таза и плода, ендоректални – за простатата, интраваскуларни – за вътрешно изследване на съдовете и др.(Фиг. 55.3). Честотата на US от трансдюсера се определя от вида и дебелината на пиезоелементите в него – по-високи честоти се генерират при по-малка дебелина и обратно. За абдоминални изследвания се използват трансдюсери с честота между 2,5 и 5 MHz, за изследване на окото – от 8 до 20 MHz, за ехоенцефалография при деца – от 3,5 до 7 MHz

Фиг.55.2. Схема на действие на трансдюсер.

      

Фиг.55.3. Различни видове трансдюсери и тяхното приложение.

Ехографският образ представлява разпределението в една равнина на стойностите на интензитета на отразените УЗ импулси от множество елементарни обеми в тъканите. Данните за интензитета се превръщат в цифров сигнал чрез аналогово-цифров преобразувател; информацията за амплитудата на отразените вълни от различни точки се въвежда в паметта на компютър, като най-често използваните матрици са 512 × 512. Всеки пиксел има свой адрес в паметта, носещ информация за мястото на отражението – координатата се определя от ориентацията на трансдюсера и от времето на закъснение на отразения сигнал (ехото). Информацията за амплитудата се изобразява на монитора в 256 степени на яркост (8-битово кодиране).

Съществуват 4 начина за представяне на ехо-импулсите – А-мод, В-мод, С-мод и М-мод (Фиг. 55.4).

А-модът (от amplitude) е графична зависимост на амплитудата на ехо-сигналите от разстоянието в тъканите. Дава едномерна информация и се използва за измерване на разстояние в тялото и на размерите на вътрешните органи.

Името на В-модът идва от английската дума за яркост (brightness). Амплитудата на всеки ехо-импулс се представя във вид на точка с определена яркост върху екран. Също дава едномерен образ. За да се получи двумерен образ трябва да се комбинират импулсите, преминали по различен през път през тялото.

С-модът (от constant) е за постоянна дълбочина. Образът е едно напречно сечение, в което изобразената равнина е на постоянно разстояние от приемника и е перпендикулярна на снопа. Това се постига чрез селекция на ехо-импулсите с еднакво време на разпространение.

С М-мод (от motion) се изобразяват движения. Получават се криви, доито дават информация за движението на отразяващите структури по протежение на УЗ сноп. При отражение от неподвижна повърхност се получава права линия, а при отражение от движеща се повърхност – вълнообразна. Използва се за изследване на движението на сърдечните клапи.

Най-широко приложение има В-модът. Двумерен образ (2D) се получава чрез движение на трансдюсера. Това движение може да бъде механично – постъпателно движение с постоянна скорост над изследваната област или люлеене в една равнина, или електронно насочване на УЗ сноп от трансфюсер, съставен от много малки пиезоелемента. Ехо-сигналите се представят в В-мод и се подават за управление на електронния лъч на осцилоскоп, така че той да се движи по същия начин, както УЗ сноп. Получава се образ, показващ структурите в избраната от скенера равнина. Образът представя отделни слоеве (сечения) от вътрешността на тялото. Изобразяваното поле има формата на кръгов сектор.

Със съвременните апарати могат да се получат и 3-D (тримерни) и 4-D (с включване и на времето) образи – чрез движение на  трансдюсер, който представлява двумерна матрица от малки пиезоелементи

   

Фиг. 55.4. Илюстрация на работата на ехограф в В-мод и М-мод.

Чрез ултразвуково отражение могат да се разграничат меки тъкани, които се различават по плътност само с 0.1 %., докато на ренгенова снимка могат да се различават тъкани при разлика в плътността повече от 10%.

Разделителна способност при УЗ ехография е:

• ~ 0,5 mm по посока на разпространение на УЗ
• 2 – 5 mm в латерално направление
• по-ниска от рентгеновия и магнитно-резонансния методи

55.2.2. Физични принципи на Доплеровата ехокардиография.

Друг тип уреди за ултразвукова диагностика се основават на ефекта на Доплер, който е свързан с промяна на измерваната от наблюдателя честота на вълната при относително движение на източника или приемника на вълната. Нека имаме ултразвукова вълна, която се отразява от движеща се кръв (фиг. 55.5). Доплерово отместване щe бъде където u е скоростта на кръвта, c_УЗ е скоростта на УЗ,  Θ  е ъгълът на падане на УЗ вълна към кръвоносния съд. Следователно доплеровото отместване е пропорционално на скоростта на кръвта u.

Фиг. 55.5.

Доплеровите ехокардиографи дават зависимостта на скоростта на кръвта от времето – спектър на скоростта. Когато потокът е ламинарен, всички еритроцити се ускорявят или забавят почти едновременно и техните скорости се представят с гладка линия. Когато потокът е турбулентен, еритроцитите имат различни скорости и в един и същи момент спектърът включва ниски, средни и високи скорости. Доплер ехограф може да се използва и за определяне на скоростта на сърдечните тъкани , например на миокарда.

Доплеровите ехокардиографи работят в два режима – непрекъснат и импулсен.  При непрекъснатия режим се използват два пиезокристала – един за предавател и един за приемник, които работят непрекъснато. Това позволява точно измерване на големи разлики в честотите, а следователно и високи скорости на движение. Импулсната Доплер-ехография работи в импулсен режим с един кристал, който излъчва и приема сигнали. Не всички ехо-импулси се приемат, а само импулсите, отразени от предварително зададена област. Това позволява определяне на скорости на точно определен обем кръв или сърдечна тъкан.

Съществуват и цветни Доплер-ехографи, при които вместо спектри на скоростите двумерният образ показва средната скорост на кръвния поток с различен цвят. Прието е ламинарният поток към трансдюсера да бъде червен, а този, който се отдалечава – син. Допълнително се използва зелен цвят, който показва променливата средна скорост в обеми, където кръвният поток е турбулентен (фиг.55.6).

Следователно уреди, построени на базата на ефекта на Доплер, позволяват да се определят редица параметри на кръвния поток в кръвоносните системи – скоростта на движение на еритроцитите, диаметъра на кръвоносните съдове, наличието на плаки в тях, посоката на кръвния поток, оценка на сърдечната дейност, измерване на кръвния поток в артериите на матката и плацентата, сърдечната дейност на плода, положението на плацентата и др. Освен чрез електронни устройства, доплеровите сигнали могат да се регистрират и акустично, тъй като при изследването на хемодинамиката доплеровото отместване се намира в звуковия диапазон.

УЗ диагностиката е евтин и удобен метод, при който образите се получават в реално време. Силата на метода е в добрия контраст между различните меки тъкани. Доплеровата ехография осигурява важни физиологични данни, като скоростта и посоката на кръвния ток, а оттам и индиректна информация за метаболизма и функцията на кардиоваскуларни-те тъкани. Друго предимство е безвредността на метода – при използвания интензитет на УЗ до 100 mW.cm^-2 не са доказани вредни биологични ефекти. Техническо удобство при ехографията е мобилността на уредбите

Фиг.55.6. Изображение от Доплер-ехограф.