Βασικές αρχές παραγωγής και εφαρμογής των υπερήχων για διαγνωστικούς σκοπούς

By 8 Σεπτεμβρίου 2016Uncategorized

Η υπερηχοτομογραφία, δηλαδή η εφαρμογή υπερήχων (ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας, που δεν είναι αντιληπτά με την ανθρώπινη ακοή) έχει πολύ σημαντικές και συχνές εφαρμογές στην πρόληψη και τη διάγνωση πολλών ασθενειών στην Ιατρική.

Η ταχύτητα μετάδοσης του ήχου είναι σταθερή για ένα συγκεκριμένο υλικό, καθώς δεν εξαρτάται από τη συχνότητα και το μήκος κύματος. Οι υπέρηχοι και γενικότερα ο ήχος για να μεταδοθεί χρειάζεται κάποιο μέσο, έτσι λ.χ. οι υπέρηχοι διαδίδονται στο ανθρώπινο σώμα, ενώ δε μπορούν να διαδοθούν στο κενό.

Για την παραγωγή ενός ηχητικού κύματος απαιτείται ένα στοιχείο που να εκτελεί ταλαντώσεις (π.χ. κρύσταλλοι του ηχωβολέα), ώστε να προκαλεί μία μηχανική διαταραχή σε ένα υλικό που βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας (π.χ. ανθρώπινο σώμα). Στην περίπτωση αυτή τα μόρια του σώματος, αλληλεπιδρούν με το ηχητικό κύμα, ταλαντώνονται γύρω από μία θέση ισορροπίας, ώστε το ηχητικό κύμα να διαδίδεται στο σώμα, να υπάρχει δηλαδή μία μεταφορά ενέργειας χωρίς ωστόσο να υπάρχει μεταφορά μάζας.

Η ταχύτητα διάδοσης του ήχου (καθώς και των υπερήχων) είναι διαφορετική στα διάφορα υλικά, όπως π.χ. στον αέρα ή το νερό, με αποτέλεσμα να υπάρχουν αντίστοιχες διαφορές στο μήκος κύματος, με τη συχνότητα να παραμένει σταθερή.

Κατά τη διάδοση του το ηχητικό κύμα (υπέρηχοι) συναντά στο ανθρώπινο σώμα ιστούς με διαφορετικό μέγεθος και σύσταση, που επιδρούν με τους υπερήχους, με αποτέλεσμα να μεταβάλλονται τα χαρακτηριστικά τους, δηλαδή το μήκος κύματος και η έντασή τους. Τα φαινόμενα που περιγράφουν τις μεταβολές αυτές είναι η ανάκλαση, η διάθλαση, η σκέδαση και το φαινόμενο Doppler.

Η παραγωγή και η ανίχνευση ενός ηχητικού κύματος σχετίζεται με την ταλάντωση ενός αντικειμένου (πηγή). Στην περίπτωση των υπερήχων το αντικείμενο αυτό ονομάζεται ηχωβολέας και μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ηχητική (και αντιστρόφως).

Οι ήχοι που είναι αντιληπτοί από το ανθρώπινο αυτί έχουν μήκος κύματος από μερικά εκατοστά (cm) έως και μερικά μέτρα (m) και οι συχνότητές τους είναι κατά προσέγγιση από 20Hz έως 20KHz. Για να γίνει αυτό καλύτερα αντιληπτό, η μουσική νότα «Λα» έχει συχνότητα 440Hz. Οι υπέρηχοι έχουν συχνότητες μεγαλύτερες από 20KHz, ενώ οι υπόηχοι έχουν συχνότητες μικρότερες από 20Hz. Στην Ιατρική επιστήμη, οι υπέρηχοι που χρησιμοποιούνται για κλινικούς διαγνωστικούς σκοπούς έχουν συχνότητες από 1 έως 50MHz.

Η παραγωγή και η ανίχνευση των υπερήχων βασίζεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, κατά το οποίο μετά από συμπίεση ή εφελκυσμό ενός υλικού, παρατηρούνται ετερώνυμα ηλεκτρικά φορτία στα άκρα του υλικού και αντιστρόφως, η εφαρμογή μιας ηλεκτρικής τάσης (διαφορά δυναμικού) θα έχει ως αποτέλεσμα τη συμπίεση ή τον εφελκυσμό του υλικού. Τα υλικά με αυτές τις ιδιότητες ονομάζονται πιεζοηλεκτρικά (π.χ. οι κρύσταλλοι χαλαζία, διάφορα κεραμικά υλικά κτλ). Για την παραγωγή των υπερήχων γίνεται εφαρμογή του κατάλληλου εναλλασσόμενου ηλεκτρικού δυναμικού στα άκρα του υλικού, που προκαλεί περιοδική μετακίνηση της επιφάνειας του υλικού ταλάντωση των εφαπτόμενων μορίων αέρα και την παραγωγή υπερήχων. Για την ανίχνευση των υπερήχων χρησιμοποιείται η ίδια πηγή, όπου το κύμα των υπερήχων «πέφτει» πάνω στην πηγή και θέτει σε παλμική κίνηση την επιφάνειά του, με αποτέλεσμα τη δημιουργία διαφοράς δυναμικού στα άκρα του, η οποία και καταγράφεται.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι που χρησιμοποιούνται στους διαγνωστικούς ηχωβολείς έχουν μορφολογία κυκλικού δίσκου. Όταν εφαρμόζεται μία εξωτερική τάση στον κρύσταλλο, τότε αυτός δονείται και παράγει κύματα συγκεκριμένης συχνότητας. Εντούτοις, οι υπέρηχοι που χρησιμοποιούνται για διαγνωστικούς σκοπούς στην Ιατρική δεν είναι ένα μόνο ηχητικό κύμα αλλά μια δέσμη ηχητικών κυμάτων.

Οι χαμηλότερες συχνότητες διαδίδονται σε μεγαλύτερο βάθος στο ανθρώπινο σώμα σε σχέση με τις υψηλότερες. Έτσι π.χ. ένας υπερηχητικός παλμός των 10 ΜHz θα διαδοθεί στην υποδεκαπλάσια απόσταση συγκριτικά με έναν συχνότητας 1 ΜHz προτού να υποστεί την ίδια ακριβώς απορρόφηση.

Το μέγεθος ενός αντικειμένου που ανακλά τον ήχο εξαρτάται από τη συχνότητα του ηχητικού κύματος. Έτσι π.χ. εάν ένα αντικείμενο είναι μικρότερο από το μισό του μήκους κύματος του ηχητικού κύματος, τότε δεν θα προκαλέσει ανάκλαση του ήχου. Αντίθετα, τα μεγαλύτερου μεγέθους αντικείμενα προκαλούν ανάκλαση του ήχου. Επομένως η χωρική διακριτική ικανότητα της απεικόνισης με υπέρηχους εξαρτάται άμεσα από το μήκος κύματος του ηχητικού κύματος.

Οι συχνότητες υπερήχων που χρησιμοποιούνται για διαγνωστικούς σκοπούς στην ιατρική αντιστοιχούν σε μήκη κύματος της τάξης του χιλιοστόμετρου (mm), οπότε είναι δυνατό να ανακλαστούν από αντικείμενα ή δομές αντιστοίχων διαστάσεων. Επομένως, η χωρική διακριτική ικανότητα της τεχνικής των υπερήχων είναι της τάξης του mm.

Γενικά, για τη μελέτη δομών μικρότερου μεγέθους και απεικόνιση περισσότερων λεπτομερειών εφαρμόζονται ηχητικά κύματα με υψηλότερες συχνότητες. Θα πρέπει να γίνεται ορθή επιλογή υπερήχων υψηλής συχνότητας προκειμένου να μην απορροφώνται πριν να φτάσουν στην περιοχή που βρίσκεται η δομή που θέλουμε να μελετήσουμε, με δεδομένο ότι στην περίπτωση αυτή το βάθος διείσδυσης των υπερήχων είναι μικρότερο. Συμπερασματικά, η επιλογή της συχνότητας των υπερήχων για διαγνωστικούς σκοπούς γίνεται με βάση το βάθος που βρίσκεται η δομή που θέλουμε να μελετήσουμε και την απαιτούμενη χωρική διακριτική ικανότητα της εικόνας.

Για τη μελέτη εν τω βάθει οργάνων π.χ. στην κοιλιά, χρησιμοποιούμε υπερήχους με μικρότερες συχνότητες, ενώ για τη μελέτη επιφανειακών δομών π.χ. μαστοί, όρχεις ή μαλακά μόρια (πχ διογκώσεις δέρματος) χρησιμοποιούνται υπέρηχοι με υψηλότερες συχνότητες.

Leave a Reply