אולטרסאונד רפואי
מה זה אולטרסאונד
אולטרסאונד אינו שונה בהרבה מגלי הקול שאנו מכירים, אלא שאיננו יכולים לשמוע את ה"סאונד" שלו. כאשר התדר של גלי הקול מגיע ליותר מ-20 קילו-הרץ, שהוא מעבר לטווח שאנשים רגילים יכולים לתפוס, גלי קול מסוג זה נקראים אולטרסאונד. באופן דומה, אם התדר של גל קול נמוך מהטווח שבני אדם יכולים לשמוע, זהו גל אינפרא-סאונד. אז במאפיינים פיזיקליים אחרים, גלים קוליים זהים בעצם לגלי קול. אולטרסאונד/גל קול הוא סוג של גל מכני, גל אורכי וגל לחץ. הוא מופץ על ידי רטט של חלקיקים, ורטט של חלקיקים ימשיך ליצור אזורי לחץ גבוהים ונמוכים יחסית (כפי שמוצג באיור למטה), וכיוון הרטט שלו תואם את כיוון ההתפשטות, כך שההתפשטות של גלים קוליים דורש מדיום. תחת אמצעי תקשורת שונים, המהירות של גלים קוליים שונה. לדוגמה, המהירות באוויר היא כ-340 מטר לשנייה, בגוף האדם היא כ-1540 מטר לשנייה, והמהירות בוואקום היא 0. לאולטרסאונד מגוון רחב של יישומים, בעיקר בתחום הרפואי. כשיטה לא רדיואקטיבית, אולטרסאונד יכול לסייע לרופאים באבחון טוב יותר של חולים. זה יורחב בפירוט בהמשך.
כיצד ליצור אולטרסאונד
יצירת גלי הקול ויצירת גלי הקול מבוססים על אותו עיקרון. עבור גלי קול, אנו משתמשים בדרך כלל בטלפון כדוגמה. בעת דיבור, צליל (אנרגיה מכנית) מומר לאותות חשמליים (אנרגיה חשמלית) הנוסעים לקצה השני, ולאחר מכן בעת האזנה, האותות החשמליים מומרים בחזרה לקול. זה בדיוק זהה לתהליך של יצירה וקליטת גלים קוליים, והעיקרון שלהם הוא האפקט הפיאזואלקטרי. האפקט הפיאזואלקטרי הוא שחומרים מסוימים, כמו קוורץ, ייצרו מידה מסוימת של מתח על פני השטח שלו כאשר הוא נתון ללחץ מכני; ואם נפעיל מתח על פני השטח שלו, הוא יפיק מידה מסוימת של דפורמציה מכנית. לאחר מכן, באמצעות בקרת אותות חשמליים מדויקת, נוכל ליצור ולקבל גלים קוליים. נכון לעכשיו, PZT הוא החומר הנפוץ ביותר בשימוש במכשירים קוליים. בפעולה רגילה של המכשיר, גלים קוליים מופיעים בדרך כלל בצורת פולסים ולא גלים מתמשכים, כך שבאופן כללי, ה-PZT מקבל את אות הדופק החשמלי, מייצר גל קולי, ואז מתחיל לנטר, והקליטה מחזירה אחד. אחרי עוד אחד. האותות האולטראסוניים מומרים לאותות חשמליים מתאימים לעיבוד נתונים נוסף, והמחזור חוזר על עצמו עד להשלמת הסריקה.
ריבוי אולטרסאונד בגוף האדם
כפי שהוזכר קודם לכן, מהירות הגלים האולטראסוניים בגוף האדם היא כ-1540 מטר לשנייה, שזהו למעשה ערך ממוצע ומהווה גם מהירות הכיול בה משתמשים מכשירים אולטראסוניים ברוב המקרים. כפי שיוזכר בהמשך, הדמיית אולטרסאונד מסתמכת על הערכת מהירות האולטרסאונד, ולדיוק שלה תהיה השפעה ישירה על איכות התמונה. לאחר מכן, עבור איברים ורקמות שונים, מהירות השידור שונה. לדוגמא, זה כ-1510 מטר לשנייה במוח, כ-1560 מטר לשנייה בכבד ובכליות, 1570 מטר לשנייה בשרירים וכו'. אלו לא מאוד שונים מהממוצע. עם זאת, המהירות האולטרסאונדית בשומן היא רק כ-1440 מטר לשנייה. הבדל מהירות זה גורם לאיכות התמונה האולטראסונית לרדת באופן משמעותי עבור חולים עם השמנת יתר, כך שבמקרה זה, המכשיר יכייל מחדש או יתאים את המהירות באופן דינמי.
מכיוון שאולטרסאונד הוא סוג של גל, הוא גם יפיק תופעות פיזיקליות הקשורות לגל עם רקמות ואיברים שונים במהלך התפשטות גוף האדם. תופעות אלו הן הבסיס להדמיה באולטרסאונד. בעיקר שידור, השתקפות, פיזור ושבירה. כאשר ה-PZT פולט גלים קוליים ונתקל באיברים/רקמות אנושיים, חלק מהגלים יכולים לחדור ולהמשיך להתפשט לעומק גוף האדם לאורך הכיוון המקורי, שהוא השידור והאנרגיה של הגלים תיספג חלקית בתהליך; החלק הנותר של הגלים החוזר בכיוון ההפוך ומתקבל על ידי ה-PZT, חלק זה הוא הגל המוחזר, והאות של הגלים המוחזרים הללו הוא חומר הגלם העיקרי להדמיה; האנרגיה של הגלים המפוזרים היא בדרך כלל קטנה מאוד, והגלים השבורים יפריעו להדמיה. בעצם, יכולת השידור של האולטרסאונד ויכולת של איברים/רקמות לספוג אולטרסאונד קובעות עד כמה האולטרסאונד יכול "לראות". מכיוון שככל שהתדר נמוך יותר, חדירת האולטרסאונד חזקה יותר, כך שכאשר הרופאים צריכים לראות עמוק יותר, הם לרוב ישמשו גלאי תדר נמוך יותר (Transducer), אך התדר הנמוך בדרך כלל גורם לפגיעה באיכות התמונה. זהו פשרה שצריך לעשות ועל זה נדון בהרחבה בהמשך כאשר נדבר על גלאים.
מבוא להדמיית אולטרסאונד רפואית
עם העמקת המחקר והצרכים הרפואיים, תמונות האולטרסאונד השתנו מ-1D בלבד ל-3D/4D. מכשירי אולטרסאונד יכולים כעת לתמוך במגוון מצבי הדמיה כדי לענות על הצרכים של מטופלים ורופאים שונים. להלן מוצגים מספר מצבי הדמיה מיינסטרים.
A-mode: זה מה שנקרא 1D, שהוא המצב הפשוט ביותר. הגלאי פולט גל של גלים קוליים בכיוון מסוים, והמכשיר מציג את המשוואה בין האות המוחזר לעומק, והתמונה דומה לאות שאנו רואים בדרך כלל באוסילוסקופ. מצב A היה המצב העיקרי של מכשירי אולטרסאונד מוקדמים והוא פחות בשימוש כעת, אך ניתן להשתמש בו גם כדי להנחות גלים עתירי אנרגיה לטיפול בגידולים במהלך הניתוח.
B-mode: B הוא בהירות כאן. במצב זה, הגלאי סורק אזור ומייצר תמונה דו-ממדית בגווני אפור. זהו אחד המצבים הנפוצים ביותר. ככל שהצבע בהיר יותר (לבן), האות המוחזר חזק יותר, בדרך כלל פני השטח של האיבר/רקמה, וככל שהצבע כהה יותר (שחור), כך האות המוחזר חלש יותר.
M-mode: M זה תנועה כאן. במצב תנועה, המכשיר מבצע סריקה והדמיה מהירים במצב B, כך שהרופא יכול לראות את תנועת האיבר, שחשובה במיוחד לאבחון הקשור ללב.
מצב דופלר: מצב דופלר, הנקרא על שם השימוש בתופעת הדופלר למדידת המהירות של עצמים נעים. במצב דופלר, הרופאים יכולים לעקוב אחר זרימת הדם וכיוון הדם כדי לזהות נגעים אפשריים בכלי הדם.
דופלר צבע: ניתן להבין את המצב הזה כמצב B/M-מצב פלוס דופלר, כלומר, על בסיס תמונות בגווני אפור דו-ממדיים, מצב הדופלר וכיול הצבע משמשים להצגת המיקום, זרימת הדם, קצב הזרימה ו כיוון כלי הדם.
3D/4D: מצב 3D הוא תמונה תלת מימדית שיכולה להציג איברים/רקמות. לגבי 4D, זוהי תמונת 3D בזמן אמת. בעוד שמכשירי אולטרסאונד מתקדמים רבים פורסים מצבי תלת-ממד ו-4-ממד, בדרך כלל אין בהם שימוש רב.
