Zastosowanie ultradźwięków w medycynie

Generacja ultradźwięków

Ultradźwięki są to fale mechaniczne występujące w ośrodkach

gazowych, ciekłych i stałych o częstotliwościach większych od górnej
granicy słyszalności ucha ludzkiego, czyli 20 kHz. Rozchodzeniu się ruchu
falowego w ośrodku towarzyszy przenoszenie energii bez równoczesnego
transportu substancji.

Wiele zwierząt ma zdolność do wytwarzania i odbierania drgań o
częstotliwości ultradźwiękowej, np. nietoperze, delfiny. Za pomocą
piszczałki Galtona można przekazać psom niesłyszalne dla ludzi sygnały.

Generacja ultradźwięków

Ultradźwięki w medycynie muszą charakteryzować się ściśle

określonymi parametrami częstotliwości, natężenie i długości fali. Do
tworzenia drgań o dowolnie regulowanej częstotliwości wykorzystywane
jest zjawisko piezoelektryczne. Efekt piezoelektryczny polega na
wytwarzaniu potencjału elektrycznego, gdy kryształ jest ściskany (np.
kwarc, tytanian baru, cyrkonian ołowiu, tytanian ołowiu), przy czym
napięcie jest proporcjonalne do siły ściskającej. Jeśli kryształ jest
rozciągany, napięcie zmienia znak na przeciwny.

Właściwości ultradźwięków

Wraz z przekazywaniem ruchu drgającego odbywa się przekazywanie
energii. Fala ultradźwiękowa jest transportem energii. W wodze i tkankach
miękkich przeważają fale podłużne, natomiast w tkankach takich jak kość,
mogą być wytworzone fale poprzeczne. Dla fali ciśnieniowej płaskiej
rozchodzącej się w kierunku x, w ośrodku nie tłumiącym, zmiany ciśnienia
można wyrazić równaniem:

p=p

*cosω(t-x/c)

Gdzie p – ciśnienie akustyczne, p

– amplituda ciśnienia, ω – częstość kołowa, x – współrzędna

przestrzenna, c – prędkość propagacji, t – czas

Ciśnienie akustyczne jest zmianą ciśnienia równowagi ośrodka w danym
punkcie i momencie czasu. Prędkość fali jest zależna od rodzaju ośrodka.
Długość fali (λ) wyraża się wzorem:

λ= c/f

Gdzie f – częstotliwość, c - prędkość propagacji

Właściwości ultradźwięków

Natężenie (I) ultradźwięków określa zależność:

I=E/S*t

Gdzie E – energia przenoszona przez falę, S – powierzchnia prostopadła do kierunku rozchodzenia
się fali, t – czas

Stosowane w terapii wartości natężeń zmieniają się w zakresie 0,5 –
20kW/m

Ponieważ natężenia ultradźwięków w diagnostyce zmienia się w olbrzymim
zakresie, do określenia poziomu natężeń stosuje się logarytmiczną skalę
decybelową:

L[dB]=10logI

Gdzie I

– natężenie progu słyszalności, I

– mierzone natężenie

Rozchodzenie się ultradźwięków w tkankach

Fala ultradźwiękowa rozchodząca się w tkankach ulega odbiciu,

załamaniu, ugięciu, rozproszeniu i absorpcji. Ilościowy udział tych zjawisk
zależy od:

• Rodzaju tkanki (miękka, np. mięśnie, twarda, np. kostna)
• Częstotliwości ultradźwięków (f)
• Wzajemnego stosunku długości fali do rozmiarów struktury
• Orientacji powierzchni względem kierunku padającej fali
• Oporu akustycznego ośrodka

Odbicie

Jeśli płaska fala pada prostopadle na granicy dwóch ośrodków, to

część energii jaka ulega odbiciu jest zależna od oporności akustycznej Z

i wyrażona jest wzorem:

R=I

=(Z

-Z

)

Gdzie R – współczynnik odbicia, I

– natężenie fali padającej, Ir – natężenie fali odbitej

Przy przejściu fali z tkanki miękkiej do powietrza współczynnik odbicia

wynosi R=0,99. Wynika z tego że tylko 0,01 część energii przechodzi do
powietrza, a praktycznie cała energia padającej fali ulega odbiciu, co
uzasadnia konieczność stosowania ośrodka sprzęgającego (parafina, żel) w
czasie badań

Załamanie i rozproszenie

Załamanie następuje gdy wiązka ultradźwiękowa pada na granicę

rozdziału dwóch różnych ośrodków pod kątem różnym od kąta prostego i
prędkość fali zmienia się na granicy ośrodków

Rozproszenie zachodzi wówczas, gdy długość fali jest większa od

elementów struktury. Następuje wtedy odbicie fali ultradźwiękowej we
wszystkich kierunkach. Rozproszenie powoduje osłabienie wiązki, czyli
zmniejszenie ilości energii rozchodzącej się w tkankach.

Fala

padająca

Fala

odbit

Fala

załamana

Środowisko II

Środowisko I

Absorpcja i tłumienie fal ultradźwiękowych

W każdym rzeczywistym ośrodku część energii ruchu falowego jest

tracona na skutek tarcia wewnętrznego, przewodnictwa cieplnego i zjawisk
molekularnych. Przekształcenie się energii fal ultradźwiękowych w ciepło
jest głównym czynnikiem absorpcji akustycznej w tkankach biologicznych.

Absorpcja jest najważniejszym czynnikiem określającym głębokość

wnikania wiązki w głąb ciała. Fakt osłabienia fali ultradźwiękowej w tkance
wyrażamy w warstwach połówkowych, które definiują się jako grubość
tkanki wyrażonej w cm wymaganą do zmniejszenia natężeń wiązki do
połowy.

Czynne i bierne działanie ultradźwięków.

Przykłady zastosowania

Oddziaływania ultradźwięków z materią dzielimy na czynne i bierne

w zależności od zastosowanego natężenia, które decyduje o biologicznym
działaniu.

Oddziaływania czynne powodują zmiany fizyczne, chemiczne i biologiczne
w nadźwiękowianym obiekcie. Zmiany te są nieodwracalne lub utrzymują
się stosunkowo długo. Energia ruchu drgającego wprowadzona do ośrodka
wywołuje w nim efekty:

• Efekt mechaniczny – cząstki wykonują drgania, dochodzi do wzrostu lub

spadku ciśnienia, co prowadzi do zniszczenia struktury ośrodka

• Efekt cieplny – pochłaniana energia fal ultradźwiękowych przekształca się

w dużej części w ciepło

• Efekt chemiczny – przyspieszają reakcje chemiczne, powodują rozpad

dużych cząsteczek, np. białek. Wzrasta dyfuzja przez błony
półprzepuszczalne, zwiększa się jonizacja

Czynne działanie ultradźwięków wykorzystywane jest

w medycynie, np.:

• W leczeniu chorób reumatycznych przez nagrzewanie tkanek
• W leczeniu chorób narządów ruchu i tkanki łącznej
• Do niszczenia patologicznych ognisk w głębi tkanek
• Do zabijania wirusów, grzybów, bakterii
• W sterylizacji lekarstw
• Do mikromasaży
• Do ultrawirowania, separacji struktur
• Do usuwania kamienia na zębach
• Do litotrypsji

Depilator z funkcją masażu
ultradźwiękami

Bierne działanie ultradźwięków

Charakteryzuje się ono: bardzo małym natężeniem (I<<10kW/m

małą długością fali (10

-2

– 10

-5

m), dobrym prostoliniowym rozchodzeniem

się. Bardzo małe wartości natężeń zapewniają, że pomiary nie wpływają na
właściwości ośrodka ani na przebieg badanego procesu. Jest to istotne przy
prowadzeniu badań na żywych obiektach.

Informacje o strukturze i właściwościach materiału uzyskuje się za

pomocą pomiarów niewielu wielkości akustycznych. Są to właściwie dwa
pomiary:

• Pomiar opóźnienia w czasie między dwoma sygnałami
• Pomiar różnicy poziomów natężeń tych sygnałów

Te dwa zasadnicze pomiary pozwalają na określenie wielu właściwości
akustycznych materiału lub parametrów badanej tkanki.
Różnice poziomów natężenia(Δ i) między dwoma punktami odległymi o (Δ l)
wyznaczają współczynnik tłumienia:

q= Δ i/Δl

Bierne działanie ultradźwięków

Parametrami, które informują o zmianach patologicznych tkanek są:

współczynnik tłumienia, prędkość fal, straty energetyczne przy
rozchodzeniu się fal, zmiany w kształcie impulsu po przejściu przez badany
odcinek

Stosunek energii pochłoniętej do fali odbitej niesie ze sobą wiele

cennych informacji o tkankach zdrowych i zmienionych patologicznie, np.
tkanki nowotworowe pochłaniają energię fal dużo silniej niż tkanki zdrowe.

Do oceny stanu kości stosuje się metodę ultradźwiękową która polega

na pomiarze prędkości i tłumienia ultradźwięków w kości piętowej i
wykorzystuje związek parametrów z gęstością i budową kości gąbczastej,
które ulegają zmianą z wiekiem w stanach chorobowych. Umożliwia to
ocenę zaawansowania osteoporozy i ryzyka złamania kości

Ultradźwięki małej mocy mają zastosowanie w badaniach układu

krążenia krwi, do rejestracji ruchów struktur serca. Metoda umożliwia
pomiar prędkości chwilowej i kierunku przepływającej krwi.

Litotrypsja

Litotrypsja, czyli metoda kruszenia złogów zalegających w

organizmie człowieka za pomocą fal uderzeniowych, została po raz
pierwszy zastosowana w leczeniu kamicy nerkowej.

Falę uderzeniową określa się jako nagłą zmianę ciśnienia, która

zazwyczaj jest generowana w wodzie. Jest to fala akustyczna o wysokiej
energii i z bardzo dużą amplitudą.

Litotryptory generujące fale uderzeniowe różnią się sposobem

generacji. Dzieli się je najczęściej na:

• Elektrohydrauliczne
• Piezoelektryczne
• Elektromagnetyczne
• Mikrowybuchowe

Najpowszechniejsze zastosowanie
znalazły generatory elektrohydrauliczne
i piezoelektryczne.

Generatory elektrohydrauliczne

Generatory elektrohydrauliczne zawierają elektrody, które są

umieszczone we wnętrzu półelipsoidalnego zwierciadła. Całość jest
zanurzona w wodzie. Duże napięcie przyłożone do tych elektrod iskrowych
wywołuje powstanie łuku elektrycznego w ognisku F1 zwierciadła. Wynikłe
stąd nagłe wyparowanie wody powoduje gwałtowne powstanie
pęcherzyków gazu. Następnie generowana jest fala uderzeniowa, która
rozchodzi się w ośrodku wodnym. W wyniku oddziaływania z powierzchnią
zwierciadła fale uderzeniowe są skupiane w jego drugim ognisku F2, gdzie
zlokalizowany jest kamień żółciowy.

Generatory piezoelektryczne

Generatory piezoelektryczne wykorzystują zjawisko, które polega na

tym, że pewne kryształy i pewne syntetyczne materiały ceramiczne pod
wpływem przyłożonego napięcia zmieniają swój kształt. Setki lub nawet
tysiące niewielkich przetworników piezoelektrycznych jest przymocowane
do podstawy półsferycznego przyrządy zanurzonego w wodzie.
Odpowiednio przyłożone napięcie powoduje rozszerzenie się tych
elementów i generację fali uderzeniowej.

Ultrasonografia

Warunki rozchodzenia się fal ultradźwiękowych oraz zjawiska, które

im towarzyszą, zależą od takich makro- i mikroskopowych właściwości
ośrodków jak: sprężystość, gęstość, zdolności do rozciągania,
niejednorodności, anizotropii, budowy molekularnej, a w przypadku ruchu
ośrodka zależą od jego prędkości.

Dla ośrodków biologicznych ultradźwięki umożliwiają wizualizację

wnętrza organizmu bez dokonywania zabiegu, przy minimalnych skutkach
ubocznych. Dzięki temu ultradźwięki znalazły szerokie zastosowanie w
diagnostyce medycznej w takich dziedzinach jak: okulistyka, położnictwo,
kardiologia, neurologia, chirurgia naczyniowa, ortopedia itp.

Ultrasonografia

Fala padająca na granicę dwóch tkanek prawie całkowicie przez nią

przenika (99%), jedynie 1% energii fali ulega odbiciu. Jeśli stosuje się
impulsy fali ultradźwiękowej, to powstanie niewielkie echo odbite, które po
wzmocnieniu elektronicznym może być zarejestrowane na ekranie lampy
oscyloskopowej. Większość energii fali ultradźwiękowej przenika do
kolejnych warstw i daje echo od każdej napotkanej granicy tkanek
miękkich.

Informacje uzyskane w postaci echa impulsów fal ultradźwiękowych

odbitych od granic tkanek można przedstawić na ekranie oscyloskopowym
w różnych prezentacjach.

Najprostsza jest prezentacja A, w której impulsy ultradźwiękowe

odpowiednio przetworzone elektronicznie, przedstawione są na podstawie
czasu, który odpowiada głębokości ciała. Badanie wzroku metodą
ultradźwiękową jest wykonywane w prezentacji A.

Obraz rozkładu anatomicznego tkanek jest uzyskiwany w

prezentacji B. W tym przypadku sygnały odbite od wewnątrz badanego
ciała modulują jasność lampy oscyloskopowej, natomiast podstawa czasu
wykonuje zazwyczaj złożone ruchy obrotowo-postępowe, analogiczne do
ruchów wiązki ultradźwiękowej, przeszukującej wnętrze ciała pacjenta.
Echa rozjaśniające ekran oscyloskopowy tworzą wówczas rysunek
złożonego układu anatomicznego tkanek. Dzisiejsza technika umożliwia
produkcję urządzeń, których szybkość przetwarzania danych pozwala na
ich prezentowanie w czasie rzeczywistym i ocenę ruchów kształtów i
powierzchni. Stosowane są do tego głowice rotacyjne i sektorowe
zbudowane zazwyczaj z 3,4 przetworników piezoelektrycznych

Dopplerowskie metody badania

biologicznych struktur ruchomych

Fale ultradźwiękowe padając na ruchome struktury biologiczne,

ulegają odbiciu lub rozproszeniu i zmieniają swą częstotliwość. Zmianę
częstotliwości można przetworzyć elektronicznie na zakres słyszalny;
można wówczas słuchać tętna bijącego serca lub zmierzyć zmianę
częstotliwości.

W metodzie dopplerowskiej stosowane są przetworniki

piezoelektryczne na falę ciągłą lub impulsową.

Metoda fali ciągłej dostarcza informacje o wszystkich strukturach

leżących na drodze wiązki ultradźwiękowej.

Natomiast metoda impulsowa umożliwia pomiar prędkości przepływu

krwi w wybranym zakresie głębokości, pomiarów średnicy naczynia
krwionośnego i rozkładu prędkości krwi wewnątrz naczynia.

Szkodliwość oddziaływań ultradźwięków na

obiekty biologiczne

Uznaje się, że nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne aparatury

ultradźwiękowej oraz prawidłowe jej zastosowanie ograniczają do minimum
zagrożenia ultradźwiękami.

Ultradźwięki, rozchodzące się w dowolnym ośrodku, przekazują temu

ośrodkowi część energii fal. Skutki biologicznego oddziaływania
ultradźwięków uzależnione są głównie od mocy źródła.

Rozróżniamy dwa oddziaływania pierwotne i wtórne

Oddziaływanie pierwotne powoduje bezpośrednie zmiany fizyczne i

chemiczne, miejscowo ograniczone.

Oddziaływanie wtórne to reakcja tkanek i narządów na oddziaływanie

pierwotne, jak również reakcja całego ustroju

Szkodliwość oddziaływań ultradźwięków na

obiekty biologiczne

Działania termiczne

Ilość ciepła wytworzona w wyniku absorpcji pola ultradźwiękowego

zależy od:

• Natężenia ultradźwięków
• Ich częstotliwości
• Rodzaju ekspozycji (impulsowa, ciągła)
• Kierunku rozchodzenia się fal w materiale anizotropowym
• Prędkości przepływu krwi w obrębi tkanki
• Konwekcji cieplnej

Wzrost temp. na granicy mięsień-kość jest od 2 do 4 razy większy niż w
samych mięśniach przy tych samych warunkach ekspozycji

Szkodliwość oddziaływań ultradźwięków na

obiekty biologiczne

Działania mechaniczne

• Powodują złożone ruchy i przemieszczenia się struktur wewnątrz komórek
• Wywołują działanie sił i momentów skrętnych związanych z

mikroprzepływami

• Wywołują kawitację

Kawitacją nazywamy oddziaływanie pola ultradźwiękowego z
mikroskopijnymi pęcherzykami gazu w nadźwiękowianym obiekcie.
Pęcherzyki łączą się ze sobą, a gdy osiągną odpowiednie rozmiary, wpadają
w rezonans z drganiami fali ultradźwiękowej. Ze względu na dużą amplitudę
mogą prowadzić do uszkodzenia struktur biologicznych.

Działania chemiczne

• Zachodzi reakcja utleniania – powstaje woda utleniona
• Zmianie ulega stężenie jonów wodorowych
• Powoduje jonizację ośrodka

Bibliografia:

Biofizyka. Podręcznik dla studentów, pod red. Prof. Dr Hab.
Feliksa Jaroszyka

Document Outline