Medicīniskā ultraskaņa
Kas ir ultraskaņa
Ultraskaņa nav daudz atšķirīga no skaņas viļņiem, kas mums ir pazīstami, izņemot to, ka mēs nevaram dzirdēt tās "skaņu". Kad skaņas viļņu frekvence sasniedz vairāk nekā 20 kHz, kas pārsniedz diapazonu, ko normāli cilvēki var uztvert, šāda veida skaņas viļņus sauc par ultraskaņu. Tāpat, ja skaņas viļņa frekvence ir zemāka par diapazonu, ko cilvēki var dzirdēt, tas ir infraskaņas vilnis. Tātad citās fizikālajās īpašībās ultraskaņas viļņi būtībā ir tādi paši kā skaņas viļņi. Ultraskaņas/skaņas vilnis ir mehāniskā viļņa, garenvirziena viļņa un spiediena viļņa veids. To izplata daļiņu vibrācija, un daļiņu vibrācija turpinās radīt salīdzinoši augsta un zema spiediena zonas (kā parādīts zemāk redzamajā attēlā), un tās vibrācijas virziens atbilst izplatīšanās virzienam, tāpēc ultraskaņas viļņu izplatīšanai ir nepieciešama vide. Dažādos plašsaziņas līdzekļos ultraskaņas viļņu ātrums ir atšķirīgs. Piemēram, ātrums gaisā ir aptuveni 340 metri sekundē, cilvēka ķermenī tas ir aptuveni 1540 metri sekundē, un ātrums vakuumā ir 0. Ultraskaņai ir plašs pielietojums, īpaši medicīnas jomā. Kā neradioktīva metode ultraskaņa var palīdzēt ārstiem veikt labāku pacientu diagnostiku. Vēlāk tas tiks detalizēti paplašināts.
Kā ģenerēt ultraskaņu
Ultraskaņas viļņu ģenerēšana un skaņas viļņu ģenerēšana balstās uz to pašu principu. Skaņas viļņiem mēs parasti izmantojam tālruni kā piemēru. Runājot, skaņa (mehāniskā enerģija) tiek pārvērsta elektriskos signālos (elektroenerģijā), kas pārvietojas uz otru galu, un pēc tam, klausoties, elektriskie signāli tiek pārvērsti atpakaļ skaņā. Tas ir tieši tāds pats kā ultraskaņas viļņu ģenerēšanas un saņemšanas process, un to princips ir pjezoelektriskais efekts. Pjezoelektriskais efekts ir tāds, ka daži materiāli, piemēram, kvarcs, radīs noteiktu sprieguma pakāpi uz tās virsmas, kad tas tiks pakļauts mehāniskam spiedienam; un, ja mēs uzklājam spriegumu uz tās virsmas, tas radīs noteiktu mehāniskās deformācijas pakāpi. Tad, izmantojot precīzu elektrisko signālu kontroli, mēs varam radīt un saņemt ultraskaņas viļņus. Pašlaik PZT ir visizplatītākais materiāls, ko izmanto ultraskaņas instrumentos. Instrumenta normālā darbībā ultraskaņas viļņi parasti parādās impulsu, nevis nepārtrauktu viļņu veidā, tāpēc kopumā PZT saņem elektrisko impulsa signālu, ģenerē ultraskaņas vilni un pēc tam sāk uzraudzīt, un uztveršana atgriežas viena pēc otras. Ultraskaņas signāli tiek pārvērsti atbilstošos elektriskos signālos turpmākai datu apstrādei, un cikls tiek atkārtots, līdz skenēšana ir pabeigta.
Ultraskaņas pavairošana cilvēka organismā
Kā minēts iepriekš, ultraskaņas viļņu ātrums cilvēka ķermenī ir aptuveni 1540 metri sekundē, kas faktiski ir vidējā vērtība un vairumā gadījumu ir arī ultraskaņas instrumentu izmantotais kalibrēšanas ātrums. Kā tiks minēts vēlāk, ultraskaņas attēlveidošana balstās uz ultraskaņas ātruma novērtējumu, un tās precizitāte tieši ietekmēs attēla kvalitāti. Tad dažādiem orgāniem un audiem pārraides ātrums ir atšķirīgs. Piemēram, smadzenēs ir aptuveni 1510 metri sekundē, aknās un nierēs aptuveni 1560 metri sekundē, muskuļos 1570 metri sekundē utt. Tie nav ļoti atšķirīgi no vidējā. Tomēr ultraskaņas ātrums taukos ir tikai aptuveni 1440 metri sekundē. Šī ātruma atšķirība liek ultraskaņas attēla kvalitātei ievērojami samazināties pacientiem ar aptaukošanos, tāpēc šajā gadījumā instruments pārkalibrēs vai dinamiski pielāgos ātrumu.
Tā kā ultraskaņa ir sava veida vilnis, cilvēka ķermeņa izplatīšanās laikā tā radīs arī ar viļņiem saistītas fiziskas parādības ar dažādiem audiem un orgāniem. Šīs parādības ir pamats attēlveidošanai ar ultraskaņu. Galvenokārt pārraide, atstarošana, izkliede un refrakcijas. Kad PZT izstaro ultraskaņas viļņus un sastopas ar cilvēka orgāniem / audiem, daļa viļņu var iekļūt un turpināt izplatīties dziļi cilvēka ķermenī sākotnējā virzienā, kas ir transmisija, un viļņu enerģija procesā daļēji uzsūcas; atlikusī viļņu daļa Atgriežoties pretējā virzienā un saņemot PZT, šī daļa ir atstarotais vilnis, un šo atstaroto viļņu signāls ir galvenā attēlveidošanas izejviela; izkliedēto viļņu enerģija parasti ir ļoti maza, un refraktētie viļņi traucēs attēlveidošanu. Būtībā ultraskaņas spēja pārraidīt un orgānu / audu spēja absorbēt ultraskaņu nosaka, cik dziļi ultraskaņa var "redzēt". Jo jo zemāka frekvence, jo spēcīgāka ir ultraskaņas iespiešanās, tāpēc, kad ārstiem ir jāredz dziļāk, viņi bieži tiks izmantots zemākas frekvences detektors (Devējs), bet zemā frekvence parasti izraisa attēla kvalitātes pazemināšanos. Tas ir kompromiss, kas ir jāpanāk, un tas tiks detalizēti apspriests vēlāk, kad mēs runājam par detektoriem.
Ievads medicīniskajā ultraskaņas attēlveidošanā
Padziļinoties pētījumiem un medicīniskajām vajadzībām, ultraskaņas attēli ir mainījušies tikai no 1D uz 3D/4D. Ultraskaņas instrumenti tagad var atbalstīt dažādus attēlveidošanas režīmus, lai apmierinātu dažādu pacientu un ārstu vajadzības. Tālāk ir ieviesti vairāki galvenie attēlveidošanas režīmi.
A režīms: Tas ir tā sauktais 1D, kas ir vienkāršākais režīms. Detektors izstaro ultraskaņas viļņu vilni noteiktā virzienā, un instruments parāda vienādojumu starp atstaroto signālu un dziļumu, un attēls ir līdzīgs signālam, ko mēs parasti redzam osciloskopā. A režīms bija galvenais agrīnās ultraskaņas instrumentu režīms, un tagad to izmanto mazāk, taču to var izmantot arī, lai vadītu augstas enerģijas viļņus audzēju ārstēšanai operācijas laikā.
B režīms: B šeit ir spilgtums. Šajā režīmā detektors skenē apgabalu un ģenerē pelēktoņu 2D attēlu. Šis ir viens no visbiežāk izmantotajiem režīmiem. Jo gaišāka krāsa (balta), jo spēcīgāks ir atstarotais signāls, parasti orgāna/audu virsma, un jo tumšāka krāsa (melna), jo vājāks atstarotais signāls.
M režīms: M šeit ir kustība. Kustības režīmā instruments veic ātru B režīma skenēšanu un attēlveidošanu, lai ārsts varētu redzēt orgāna kustību, kas ir īpaši svarīga ar sirdi saistītai diagnostikai.
Doplera režīms: Doplera režīms, kas nosaukts pēc Doplera fenomena izmantošanas, lai izmērītu kustīgo objektu ātrumu. Doplera režīmā ārsti var uzraudzīt asins plūsmu un virzienu, lai noteiktu iespējamos asinsvadu bojājumus.
Krāsu Doplers: Šo režīmu var vienkārši saprast kā B režīmu / M režīmu + Dopleru, tas ir, pamatojoties uz 2D pelēktoņu attēliem, doplera režīms un krāsu kalibrēšana tiek izmantota, lai parādītu asinsvadu stāvokli, asins plūsmu, plūsmas ātrumu un virzienu.
3D/4D: 3D režīms ir 3D attēls, kas var attēlot orgānus/audus. Kas attiecas uz 4D, tas ir reāllaika 3D attēls. Lai gan daudzi uzlaboti ultraskaņas instrumenti izmanto 3D un 4D režīmus, tos parasti neizmanto daudz.
