Ultradźwięki - pożyteczne fale dźwiękowe cz. I

Choć pozornie bezużyteczne dla człowieka, ultradźwięki znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach naszego życia. Czym są i jak nam pomagają? W jaki sposób wykorzystuje się je w medycynie?

https://www.securitylab.ru/news/482344.php

Ultradźwięki to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, by ludzkie ucho mogło je usłyszeć. Ich zakres zaczyna się zatem od 20 000 Hz, jednak w praktyce nasza słyszalność z wiekiem maleje, stąd  u dorosłego człowieka może ona spaść nawet do 15 000 Hz. W naturze istnieją oczywiście organizmy, które sobie z nimi doskonale radzą. Na pewno każdy słyszał o echolokacji, którą posługują się nietoperze, walenie, czy delfiny.

Jak może wykorzystać je człowiek?

Zastosowanie ultradźwięków w różnych dziedzinach stało się możliwe dzięki wytwarzaniu ich sztucznie. Wykorzystuje się je głównie w technice i technologii. Skupię się jednak na ich zastosowaniu w medycynie. Zastosowania te można podzielić na bierne (przeważnie urządzenia diagnostyczne) i czynne (związane m.in. z terapią medyczną).

Mechanizm pozyskiwania informacji

Przy posługiwaniu się ultradźwiękami wykorzystuje się tzw. efekt echa. Polega on na odbiciu wiązki fali ultradźwiękowej, dzięki czemu otrzymujemy informacje o strukturze i czynności ruchowej narządów.

Alternatywę stanowi efekt Dopplera. To obserwowane dla fal zjawisko polega na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali przy wzajemnej zmianie odległości między źródłem a odbiornikiem. Podczas zbliżania częstotliwość fal jest wyższa, a w sytuacji odwrotnej niższa. Różnicę tych częstotliwości nazywamy przesunięciem dopplerowskim.

W praktyce wygląda to mniej więcej w ten sposób:

W diagnostyce medycznej, gdy fala przechodzi przez badany obszar jest częściowo pochłaniana, a częściowo odbijana przez tkanki. Stosunek fali pochłoniętej do odbitej dostarcza cennych informacji o tkankach zdrowych oraz patologicznie zmienionych.

Dzięki temu, że fale rozchodzą się się tkankach miękkich, możemy rowniez pozyskać obraz ich geometrycznego rozmieszczenia.

Brzmi dość skomplikowanie, lecz praktyczne, poniższe zastosowanie efektu echa i dopplera zna praktycznie każdy.

Ultrasonografia

Chyba każdy z nas kojarzy badanie USG, które weszło w zasadzie już do kanonu rutynowych procedur diagnostycznych. Jest to chyba najbardziej znane zastosowanie ultradźwięków w medycynie. Pozwala ono na nieinwazyjne uzyskanie informacji o kształcie, wielkości oraz położeniu badanych narządów czy przestrzeni anatomicznej. Umożliwia również ocenę powierzchni i wnętrza narządów. Chyba najbardziej znane nam jest  badanie USG przeprowadzane w celu pozyskania informacji o rozwoju płodu.

W praktyce badanie polega na wysyłaniu fali ultradźwiękowej, która odbita od narządów powraca do urządzenia detekcyjnego, z którego po przetworzeniu na impuls elektryczny trafia na ekran monitora, oczywiście w postaci charakterystycznego obrazu. 

USG Dopplera

Jak łatwo się domyślić, w specjalistycznych aparatach ultradźwiękowych, które służą do przeprowadzania tego badania, wykorzystano opisany przeze mnie wyżej efekt Dopplera. Możemy dzięki niemu ocenić przepływ krwi w naczyniach krwionośnych i sercu. 

Ultradźwięki odbite od poruszającej się masy krwinkowej powracają do sondy z  częstotliwością inną niż początkowa. Różnica tych częstotliwości jest podstawą uzyskiwania obrazów dopplerowskich (kolor czerwony oznacza krew tętniczą, natomiast niebieski żylną).

http://radiology.com.pl/index.php?s=usg

Badanie umożliwia dokładny pomiar prędkości przepływu krwi. Stosuje się je w diagnostyce chorób układu krwionośnego m.in. miażdżycy.

Echokardiografia (USG serca)

https://heartsense.in/echocardiogram/

To kolejna technika diagnostyki obrazowej wykorzystująca ultradźwięki. Dzięki niej bada się struktury serca i dużych naczyń krwionośnych. Głowica echokardiografu emituje ultradźwięki o częstotliwości 2 – 5 MHz. W celu poprawienia jakości badania wprowadza się często do badanego obiektu dodatkowy czynnik kontrastowy. Echokardiografia przeprowadzana jest w różnych systemach jedno-, dwu- i trójwymiarowym oraz w dopplerowskim. W przypadku technik dopplerowskiej rolę kontrastru mogą pełnić mikropęcherzyki gazu (zazwyczaj powietrza), dzięki którym uzyskuje się silniejsze sygnały echa ultradźwiękowego. W tym celu podaje się specjalne środki kontrastowe zawierające mikropęcherzyki (np. wstrząśnięty roztwór 0,9% NaCl).

Myślę, że o powyższych zastosowaniach ultradźwięków większość z nas słyszała.  Teoria za nami. Istnieje jeszcze wiele innych ciekawych sposobów ich wykorzystania, również w medycynie. Czy można nimi wyleczyć nowotwór? Na czym polega terapia ultradźwiękowa? Ultradźwięki przepisem na szczupłą sylwetkę? Odpowiedzi na te i inne pytania poznacie w drugiej części tego posta, która ukaże się zapewne niedługo.

Miło mi witać Was w moim pierwszym poście i oby do następnych. Mam nadzieję, że będzie się ciekawie działo ;)

Źródła:

SAFETY ISSUES IN FETAL ULTRASOUND
David A. Toms MD FRCPC;

Przegląd Medyczny Uniwersytetu Rzeszowskiego
i Narodowego Instytutu Leków w Warszawie
Rzeszów 2012, 4, 428–445: Jolanta Zwolińska, Andrzej Kwolek;
Skuteczność leczenia fizjoterapeutycznego pacjentów
z zespołem cieśnia kanału nadgarstka;

kardiologia.biziel.pl

Tutaj , tutaj , tutaj i tutaj

Obraz z ultrasonografu

Efekt Dopplera