vol. 3 2/2014 Inżynier i Fizyk Medyczny
62
artykuł
\
article
ultrasonografia
\
ultrasonography
gazowych, mniejszych od pęcherzyków rezonansowych. W przypad-
ku gdy ciśnienie akustyczne jest większe niż 1 atmosfera, pęcherzyki
zaczynają drgać nieliniowo. W pewnych warunkach pęcherzyki mogą
gwałtownie powiększać się, a następnie zapadać z prędkością zbli-
żoną do prędkości dźwięku. W fazie poprzedzającej bezpośrednio
zapadnięcie się pęcherzyka, temperatura zawartego w jego wnętrzu
gazu może sięgać kilku tysięcy kelwinów. Warunki takie sprzyjają
powstawaniu jonów i wolnych rodników. Przy zapadaniu się pęche-
rzyków kawitacyjnych powstają fale uderzeniowe wykazujące duże
działanie niszczące. Fala uderzeniowa jest frontem nagłego wzrostu
temperatury, gęstości i prędkości ośrodka.
Efekty chemiczne
Ultradźwięki mogą wywoływać szereg reakcji chemicznych. Należą
do nich reakcje utleniania wywołane uprzednim utworzeniem H
2
O
2
czy też reakcje redukcji, prowadzące np. do powstawania azotynów
z azotanów. Pierwotną przyczyną takich reakcji są kawitacje oraz
pseudokawitacje wywołujące duże miejscowe wzrosty temperatury
i w ich wyniku jonizację. Ultradźwięki mogą też – tym razem nieza-
leżnie od pseudokawitacji – wywoływać polimeryzację takich makro-
molekuł, jak polisacharydy, białka i DNA. W wypadku DNA efekt ten
wykazano jednakże tylko
in vitro
na izolowanymmateriale. Nie udało
się go wykazać w nietkniętych jądrach komórkowych.
Efekty biologiczne
Skutki biologiczne można podzielić na: uszkodzenia tkanek, martwi-
ce tkanek, krwawienia, skutki genetyczne, w tym: teratogenność
i mutagenność.
Budowa i zasada działania
aparatury ultrasonograficznej
Główną zaletą ultrasonografii jest możliwość diagnozowania tka-
nek miękkich. Ultradźwięki są falami o częstotliwości większej niż
16 kHz, przy czym w celach diagnostycznych wykorzystuje się zakres
2,5-20 MHz. Badania ultrasonograficzne oparte są na zjawisku od-
bicia fali ultradźwiękowej w czasie jej przechodzenia przez ośrodki
o różnej oporności akustycznej. Na wielkość impedancji akustycznej
danego ośrodka wpływa jego gęstość, właściwości absorpcyjne oraz
długość powstającej w nim fali. Źródłem fal ultradźwiękowych są
przetworniki, w których wykorzystuje się zjawiska piezoelektryczne.
Przetwornik jest stosowany do nadawania i odbioru fal ultradźwię-
kowych. W przetwornikach stosuje się materiały o właściwościach
piezoelektrycznych; kwarc, siarczan litu, cyrkonian ołowiu, tytanian
baru, nioban ołowiu i inne. Zjawisko piezoelektryczne zostało od-
kryte przez braci Curie. Odkryli, że jeśli działa się siłą na odpowied-
nie, przeciwległe ścianki kryształu polaryzowalnego (np. kwarcu),
to ulega on deformacji, a między ściskanymi ściankami pojawia się
różnica potencjałów elektrycznych (napięcie). Napięcie to wiąże się
z uzyskaniem przez obie ścianki ładunków elektrycznych przeciw-
nych znaków. Może ono być rejestrowane, a jego wartość zwiększa
się wraz z ciśnieniem. Zjawisko to jest odwracalne, tzn. przyłożenie
do (odpowiednich) ścianek kryształu polaryzowalnego napięcia
zmiennego o określonej częstotliwości, wywołuje w krysztale drga-
nia mechaniczne o takiej samej częstotliwości (odwrotne zjawisko
piezoelektryczne). Drgania te rozchodzą się następnie wokół krysz-
tału i wnikają do ciała pacjenta jako fala ultradźwiękowa. Po wysłaniu
krótkiego impulsu ultradźwiękowego przez kryształ, można wyko-
rzystać zjawisko piezoelektryczne (zachodzące w tym samym krysz-
tale) do odbioru echa wytwarzanych w ciele pacjenta – drgania me-
chaniczne kryształu wywołane odbitymi ultradźwiękami spowodują
drgania elektryczne o takiej samej częstotliwości, które następnie
rejestrowane jest jako sygnał napięciowy. Głowice ultradźwiękowe
mogą zawierać jeden przetwornik piezoelektryczny nadawczo-od-
biorczy lub dwa niezależne przetworniki, jeden z nich spełnia wów-
czas rolę przetwornika nadawczego, a drugi odbiorczego.
Elementy piezoelektryczne pobudzane są do drgań przez zmien-
ne napięcie elektryczne panujące pomiędzy przyłożonymi do krysz-
tału elektrodami. Jeżeli rozchodzące się w ośrodku zaburzenie
mechaniczne (impuls ultradźwiękowy) dotrze do przetwornika
odbiorczego, wywołując zmiany jego grubości, powstanie różnica
potencjałów, przekazywana dalej do układu elektrycznego odbior-
nika aparatury USG. Istotę nadawczo-odbiorczą głowicy ultraso-
nograficznej stanowią więc kryształy piezoelektryczne (ich liczba
może wynosić od jednego aż do czterystu w głowicach z liniowym
ułożeniem przetworników). Do ścian bocznych kryształu doprowa-
dza się napięcie zmienne, powierzchnia zaś zwrócona ku pacjento-
wi jest uziemiona (poprzez jej połączenie z obudową), aby uniknąć
porażenia prądowego. Od strony zewnętrznej kryształu piezoelek-
trycznego (tj. zwróconej ku pacjentowi), umieszcza się dwie warstwy
dopasowujące. Ich zadaniem jest dopasowanie oporu akustycznego
głowicy do oporu akustycznego tkanek miękkich, co pozwala unik-
nąć bardzo dużych strat energii podczas wnikania ultradźwięków do
ciała pacjenta. W diagnostyce ultrasonograficznej wykorzystuje się
impulsy ultradźwiękowe o ograniczonym czasie trwania, zwykle bar-
dzo krótkim. Aby pobudzony do drgań kryształ mógł możliwie szyb-
ko wrócić do stanu równowagi mechanicznej, do wewnętrznej jego
strony przykleja się absorber (materiał o silnych właściwościach tłu-
miących). Element piezoelektryczny połączony jest z jednej strony
z materiałem silnie pochłaniającym fale ultradźwiękowe emitowane
z tylnej części przetwornika. Głowicę ultradźwiękową przykłada się
do powierzchni ciała pokrytej substancją kontaktową w celu wyeli-
minowania warstwy powietrza między głowicą a skórą pacjenta.
Obecnie nauka dysponuje kilkoma typami głowic.
Głowice liniowe
W głowicach liniowych poszczególne wiązki ultradźwiękowe są
równoległe, tzn. wiązka (zawsze pojedyncza) sondująca ciało pa-
cjenta, przesuwa się równolegle w czasie badania. Obraz otrzymy-
wany w ten sposób ma zawsze kształt prostokąta. W przypadku
głowicy liniowej na jej powierzchni znajduje się zwykle od 64 do 128
1...,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,...68