Ultrasonografia – narzędzie nowoczesnej diagnostyki medycznej

Ultrasonografia medyczna dzieli się na dwie odrębne kategorie: diagnostyczną i terapeutyczną.

Czym jest ultrasonografia medyczna?

USG diagnostyczne to nieinwazyjna technika diagnostyczna wykorzystywana do obrazowania wnętrza ciała. Sondy ultradźwiękowe, zwane przetwornikami, wytwarzają fale dźwiękowe o częstotliwościach powyżej progu ludzkiego słuchu (powyżej 20 kHz). Ale większość obecnie używanych przetworników działa na znacznie wyższych częstotliwościach (w zakresie megaherców (MHz)).

Większość diagnostycznych sond ultrasonograficznych umieszcza się na skórze. Jednakże, aby zoptymalizować jakość obrazu, sondy możemy umieszczać wewnątrz ciała przez przewód pokarmowy, pochwę lub naczynia krwionośne. Ponadto ultradźwięki także wykorzystujemy podczas operacji poprzez umieszczenie sterylnej sondy w operowanym obszarze.

Diagnostyczne badania ultrasonograficzne można podzielić na anatomiczne i funkcjonalne. Anatomiczne USG tworzy obrazy narządów wewnętrznych lub innych struktur. Funkcjonalne USG łączy informacje, takie jak ruch i prędkość tkanki lub krwi, miękkość lub twardość tkanki oraz inne cechy fizyczne. Mapy te pomagają lekarzom wizualizować zmiany/różnice w funkcjonowaniu struktury lub narządu.

Terapeutyczne ultradźwięki również wykorzystują fale dźwiękowe powyżej zakresu ludzkiego słuchu, ale nie generują obrazów. Główny cel to oddziaływanie na tkanki w organizmie w taki sposób, że są one modyfikowane lub niszczone. Wśród możliwych modyfikacji znajdują się: przesuwanie lub popychanie tkanki, ogrzewanie tkanki, rozpuszczanie skrzepów krwi lub dostarczanie leków do określonych miejsc w ciele. Te destrukcyjne lub ablacyjne funkcje są możliwe dzięki zastosowaniu wiązek o bardzo wysokiej intensywności. Które mogą niszczyć chore lub nieprawidłowe tkanki, takie jak guzy. Zaletą stosowania terapii ultradźwiękowych jest to, że w większości przypadków są one nieinwazyjne. Nie trzeba wykonywać żadnych nacięć ani cięć na skórze, nie pozostawiając ran ani blizn.

Jak działa nieinwazyjne badanie ultrasonograficzne?

Fale ultradźwiękowe wytwarza się przez przetwornik, który może zarówno emitować fale ultradźwiękowe, jak i wykrywać odbite echa ultradźwiękowe. W większości przypadków elementy aktywne w przetwornikach ultradźwiękowych wykonuje się ze specjalnych ceramicznych materiałów krystalicznych zwanych piezoelektrykami. Materiały te są w stanie wytwarzać fale dźwiękowe po przyłożeniu do nich pola elektrycznego, ale mogą również działać odwrotnie, wytwarzając pole elektryczne, gdy uderza w nie fala dźwiękowa. W przypadku użycia w ultrasonografie, przetwornik wysyła wiązkę fal dźwiękowych do ciała. Fale dźwiękowe są odbijane z powrotem do przetwornika przez granice między tkankami na drodze wiązki. Kiedy te echa uderzają w przetwornik, generują sygnały elektryczne, które następnie wysyła się do ultrasonografu. Wykorzystując prędkość dźwięku i czas powrotu każdego echa, skaner oblicza odległość od przetwornika do granicy tkanki. Odległości te następnie wykorzystuje się do generowania dwuwymiarowych obrazów tkanek i narządów.

Kliknij tutaj, aby obejrzeć krótki film o tym, jak działa ultrasonografia.

Czym jest ultrasonografia diagnostyczna?

USG diagnostyczne. Ultradźwięki diagnostyczne są w stanie nieinwazyjnie obrazować narządy wewnętrzne w ciele. Nie nadaje się jednak do obrazowania kości ani tkanek zawierających powietrze, takich jak płuca. W pewnych warunkach za pomocą USG możemy obrazować kości lub płuca i wyściółkę wokół płuc, gdy są wypełnione lub częściowo wypełnione płynem. Jednym z najczęstszych zastosowań USG jest ciąża. W celu monitorowania wzrostu i rozwoju płodu, ale istnieje wiele innych zastosowań. Obrazy ultrasonograficzne są wyświetlane w 2D, 3D lub 4D (czyli 3D w ruchu).

Sonda ultrasonograficzna (przetwornik) umieszcza się nad tętnicą szyjną (u góry). Kolorowy obraz ultrasonograficzny (na dole, po lewej) pokazuje przepływ krwi (czerwony kolor na obrazie) w tętnicy szyjnej. Obraz kształtu fali (na dole po prawej) pokazuje dźwięk przepływającej krwi w tętnicy szyjnej.

Do czego służy ultrasonografia funkcjonalna?

USG funkcjonalne. Funkcjonalne zastosowania ultrasonografii obejmują ultrasonografię dopplerowską i kolorową ultrasonografię dopplerowską do pomiaru i wizualizacji przepływu krwi w naczyniach w ciele lub w sercu. Może również mierzyć prędkość przepływu krwi i kierunek ruchu. Odbywa się to za pomocą kolorowych map zwanych kolorowym obrazowaniem dopplerowskim. Ultrasonografia dopplerowska powszechnie stosujemy do określenia, czy blaszka miażdżycowa nagromadzona w tętnicach szyjnych blokuje przepływ krwi do mózgu.

Inną funkcjonalną formą ultrasonografii jest elastografia, metoda pomiaru i wyświetlania względnej sztywności tkanek, którą można wykorzystać do odróżnienia guzów od zdrowej tkanki. Informacje te wyświetla się jako kodowane kolorami mapy względnej sztywności; czarno-białe mapy, które wyświetlają obrazy guzów o wysokim kontraście w porównaniu z obrazami anatomicznymi; lub koduje się kolorami mapy, które są nakładane na obraz anatomiczny. Elastografia stosujemy do badania zwłóknienia wątroby, stanu, w którym nadmierna tkanka bliznowata gromadzi się w wątrobie z powodu stanu zapalnego.

Ultradźwięki są również ważną metodą obrazowania interwencji w organizmie. Na przykład, biopsja igłowa pod kontrolą USG pomaga lekarzom zobaczyć pozycję igły, gdy jest lekarz prowadzi ją do wybranego celu, takiego jak masa lub guz w piersi. Ultradźwięki również wykorzystuje się do obrazowania w czasie rzeczywistym położenia końcówki cewnika, gdy wprowadza się go do naczynia krwionośnego i prowadzi się wzdłuż naczynia. Może być również wykorzystywane w chirurgii minimalnie inwazyjnej do prowadzenia chirurga za pomocą obrazów wnętrza ciała w czasie rzeczywistym.

Wykorzystanie ultradźwięków terapeutycznych lub interwencjyjnych

Ultradźwięki terapeutyczne lub interwencyjne. Terapeutyczne ultradźwięki wytwarzają wysokie poziomy mocy akustycznej, które można skupić na określonych celach w celu podgrzania, ablacji lub rozbicia tkanki. Jeden z rodzajów terapeutycznych ultradźwięków wykorzystuje wiązki dźwięku o wysokiej intensywności. Są one wysoce ukierunkowane i nazywane są skoncentrowanymi ultradźwiękami o wysokiej intensywności (HIFU). HIFU bada się jako metoda modyfikacji lub niszczenia chorych lub nieprawidłowych tkanek wewnątrz ciała (np. guzów) bez konieczności otwierania lub rozrywania skóry lub powodowania uszkodzeń otaczających tkanek. Ultradźwięki lub rezonans magnetyczny wykorzystuje się do identyfikacji i celowania w leczoną tkankę. Także prowadzenia i kontrolowania leczenia w czasie rzeczywistym oraz potwierdzania skuteczności leczenia. HIFU jest obecnie zatwierdzony przez FDA do leczenia mięśniaków macicy, łagodzenia bólu spowodowanego przerzutami do kości. Ostatnio także do ablacji tkanki prostaty. HIFU jest również badany jako sposób na zamknięcie ran i zatrzymanie krwawienia, rozbicie skrzepów w naczyniach krwionośnych i tymczasowe otwarcie bariery krew-mózg, aby leki mogły przejść.

Czy istnieje ryzyko dla zdrowia podczas badania ultrasonograficznego?

Ultrasonografię diagnostyczną ogólnie uważa się za bezpieczną i nie wytwarza promieniowania jonizującego, takiego jak promieniowanie rentgenowskie. Mimo to ultradźwięki mogą wywoływać pewne efekty biologiczne w organizmie w określonych ustawieniach i warunkach. Z tego powodu FDA wymaga, aby diagnostyczne urządzenia ultradźwiękowe działały w dopuszczalnych granicach. FDA zniechęca do przypadkowego korzystania z ultradźwięków i zaleca, aby używało się tylko wtedy, gdy istnieje rzeczywista potrzeba medyczna.

Przykłady bieżących projektów badawczych finansowanych przez NIBIB, które opracowują nowe zastosowania ultradźwięków

Ilustracja ramienia robota podłączonego do zogniskowanego przetwornika ultradźwiękowego, który spoczywa nad klatką piersiową człowieka. Mikrokateter wstrzykuje atrament w obszar poniżej przetwornika.

Drukowanie 3D przez skórę: Naukowcy z Duke University opracowali metodę drukowania 3D biokompatybilnych struktur przez grube, wielowarstwowe tkanki. Podejście to polega na wykorzystaniu zogniskowanych ultradźwięków do zestalenia specjalnego atramentu. Który wstrzykuje się do organizmu w celu naprawy kości lub naprawy tkanek miękkich. Wstępne eksperymenty na tkankach zwierzęcych sugerują, że metoda ta może przekształcić wysoce inwazyjne zabiegi chirurgiczne w bezpieczniejsze i mniej inwazyjne.

Grafika przedstawia mysz przed i po aktywacji urządzenia ultradźwiękowego przymocowanego do jej głowy. Mysz stoi przed aktywacją i kładzie się po niej.
Wywoływanie stanu podobnego do hibernacji. Naukowcy z Washington University w St. Louis wykorzystali fale ultradźwiękowe skierowane do mózgu, aby obniżyć temperaturę ciała i tempo metabolizmu myszy. Tym samym wywołując stan podobny do hibernacji, zwany letargiem. Naukowcy powtórzyli niektóre z tych wyników na szczurach, które, podobnie jak ludzie, naturalnie nie zapadają w letarg. Wywołanie letargu może pomóc zminimalizować uszkodzenia spowodowane udarem lub zawałem serca i kupić cenny czas dla pacjentów w stanie krytycznym.

Widok sondy ultradźwiękowej i wnętrza obwodu. Bezprzewodowy plaster ultradźwiękowy do noszenia. W pełni bezprzewodowy plaster ultradźwiękowy, który może stale śledzić krytyczne sygnały życiowe. Takie jak tętno i ciśnienie krwi, okazał się obiecujący w niewielkim badaniu na ludziach.

Opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego plaster mógłby ułatwić zdalne monitorowanie krytycznych funkcji fizjologicznych w zaciszu domowym pacjenta.

Ochotnik biorący udział w badaniu przykłada sondę ultradźwiękową do brzucha.
Wysokiej jakości obrazowanie w domu. Naukowcy z Brigham and Women’s Hospital porównali skany ultrasonograficzne wykonane przez ekspertów z tymi wykonanymi przez niedoświadczonych ochotników. Następnie stwierdzili niewielką różnicę w jakości obrazu obu grup. Niekonwencjonalne podejście polegające na tym, że pacjenci wykonują sobie zdjęcia ultrasonograficzne w domu i udostępniają je pracownikom służby zdrowia. Może pozwolić na zdalne monitorowanie i zmniejszyć potrzebę hospitalizacji.