Orvosbiológiai ultrahang Inserm - Tudomány az egészségért

Felirat

Orvosi forradalom zajlik

Az ultrahangos hullámok olyan mechanikai hullámok, amelyek rezgéseket okoznak az általuk áthaladó közegben. A létrehozott jelek felhasználhatók diagnosztikai célokra (ultrahang, Doppler-ultrahang, elasztográfia) vagy terápiára (litotripszia, gyógyszer-emulgeálás stb.). Már használják bizonyos rákos megbetegedések, a méh mióma és a glaukóma kezelésére. Ezenkívül az elmúlt évek során elért jelentős technológiai fejlődés számos perspektívát nyit meg az új, nagy teljesítményű és precíz eszközök kifejlesztése szempontjából, az alkalmazás különböző területein: kardiológia, neurológia, pszichiátria.

Olvasási idő

20 min

Utolsó frissítés

19.03.19

Mickaël Tanter, a hullámfizika orvostudományi egységének igazgatója (Inserm egység 979/CNRS/ESPCI Paris/Paris Sciences et Lettres Université) és az Inserm biomedicinális ultrahangtechnikai kutatási gyorsító igazgatója, a 2014-es Opecst-Inserm-díj nyertese.

Az ultrahang és annak orvosbiológiai felhasználásának megértése

A hanghullámokhoz hasonlóan az ultrahangos hullámok is mechanikai hullámok, amelyek úgy valósulnak meg, hogy az anyagot alkotó molekulákat rezgésbe hozzák. Ha a hallható hangmező hullámainak frekvenciája a legalacsonyabb frekvencia esetén 20 Hz, a legmagasabbnál pedig 20 000 Hz, akkor az ultrahang frekvenciája magasabb, beleértve 20 kHz és 10 THz között. Túl azon kezdődik a hiperszonok területe.

Az ultrahangos hullámok az egyensúlyi pontjuk körül ingadozást okoznak, a molekulák azon közegben, amelyen áthaladnak. Ez a rezgés fokozatosan diffundál egy adott irányban a megindulás helyétől. Az átlépett közeg sűrűsége szerint az ultrahang többé-kevésbé nagy sebességgel terjed: az anyag ellenállását annak akusztikai impedanciája (Z megjegyzés és Pascal másodperc/méterben mérve) határozza meg, amely befolyásolja ezt a sebességet. Másrészt egy adott közegen áthaladó ultrahangos hullám visszapattan és visszhangként visszatér, amikor egy új közeg felületére érkezik, amelynek akusztikai impedanciája eltér az elsőtől. Így a visszaszórt jel elemzésével információt lehet szerezni az elemzett közegről.

Orvosi területen az ultrahang számos előnnyel jár:

Ezek olyan hullámok, amelyek nincsenek jelen nincs veszély (különösen nincs ionizáló sugárzás).
Köszönhetően megvalósíthatók alacsony volumenű és olcsó berendezések.
Lehetővé teszik a megszerzéstmegfigyelhető és értelmezhető képek a vizsgálattal egyidejűleg.

Franciaország, az ultrahang technikák bölcsője

Az ultrahang területe egy olyan terület, amelyben Franciaország az élen járt: a kaland Pierre Curie-vel kezdődött, aki elmélete szerint a piezoelektromosság lehetővé tette az ultrahang létrehozását elektromos áramból, 1880-ban. Harminc évvel később tanítványa, Paul Langevin fejlesztette ki a első ultrahangos adó és vevő eszköz, amelynek eredményeként a második világháború idején első katonai használatra került sor (szonár).

Ekkor megjelent az ultrahang alkalmazásának fejlődése az orvosi területen, különösen a britek által kifejlesztett ultrahang segítségével. Az 1950-es évek során kifejlesztették az első ultrahangos szondát, majd az 1970-es évek elején az első 2D ultrahangot, amelyet mind a szülészetben alkalmaztak. A Doppler ultrahang fejlesztését és alkalmazását a véráramlás és az érrendszeri rezisztencia értékelésében úttörő kutató, Léandre Pourcelot, a Tours Orvostudományi Kar Insect 316 "A magzat idegrendszere a gyermek" egység igazgatója vezette ( 1988–2003).

Diagnosztikai képalkotó technikák

Az ultrahangos hullámok használata a diagnosztikai területen a szövetek által visszaszórt jelek képeinek kialakításán (ultrahang) vagy a véráramlás mérésén (Doppler visszhang) alapul.

Aultrahang abból áll, hogy ultrahangot bocsát ki a megfigyelendő szövetek és szervek irányába, majd összegyűjti és elemzi az ultrahang visszhangokat annak a közegnek a távolsága és impedanciája szerint, amelyre visszapattantak.

A hagyományos kétdimenziós (2D) ultrahangban a szkennelés (kézi, mechanikus, elektronikus) lehetővé teszi több tűzvonal egyidejű kibocsátását különböző irányokban. A begyűjtött visszhangok számítógépes feldolgozása lehetővé teszi az áthaladt adathordozók ábrázolását az impedanciájuk függvényében, az elemzett terület metszetsíkját ábrázoló kétdimenziós kép újrateremtését:

az alacsony impedanciájú közegeket (gyenge visszhang) fekete színnel mutatják: ezek megfelelhetnek folyékony közegnek vagy lágyrésznek,
a nagy impedanciájú közegeket (erős visszhang) fehér színnel mutatják.

Ebben az eszközben a piezoelektromos anyagok bocsátják ki a mechanikai hullámokat: ezek olyan anyagok, amelyek deformálódhatnak, ha elektromos feszültségnek vannak kitéve. Ez a deformáció mechanikai hullámot eredményez, amely az elemzendő szövetek irányába fókuszál. Ezután egy szonda összegyűjti a hullámok visszhangját.

A külső ultrahang elvégzésénél szokásosan használt gél elkerüli a szonda és a bőr között levegő által képződő interferenciát, mivel impedanciája összehasonlítható az utóbbiéval.

A közelmúltban fejlesztették ki a 3D ultrahangot, amely lehetővé teszi, amint a neve is mutatja, háromdimenziós képet készíteni. Ebben az esetben egy mechanikus vagy elektronikus letapogatás lehetővé teszi a különböző echo pontokon, különböző emissziós pontokból nyert információk felhalmozását. Számítógépes feldolgozásuk lehetővé teszi a 3D kép elkészítését.

A piezoelektromos szondák, valamint a számítási és felvételi képességek javulása lehetővé teszi a 4D-s képalkotás, vagyis a 3D időbeli mérlegelését. Ilyen módszereket már alkalmaznak a kutatólaboratóriumokban, és fejlesztésük hamarosan kínálhat egy módszert az ultragyors elsajátításra, amely lehetővé teszi a szervek vagy a magzat páratlan pontosságú megfigyelését.

ADoppler ultrahang széles körben alkalmazzák az erek nem invazív vizsgálatában. A Doppler-effektuson alapszik: amikor egy hullámforrás (vagy annak megfigyelője) mozgásban van, az általa kibocsátott hullám frekvenciája az iránytól és az irány sebességétől függően változik. A Doppler-effektus ikonikus példája az autó szirénájának magasról alacsonyra váltó hangja, amikor egy fix megfigyelő mellett halad. A véráramlásra alkalmazva ez az elv lehetővé teszi a visszaverődő frekvencia mérését és összehasonlítását a kibocsátott frekvenciával, az ér vörösvérsejtjeinek mozgási sebességétől függően.