Биомедицински ултразвук Inserm - Наука за здравето

Подзаглавие

Тече медицинска революция

Ултразвуковите вълни са механични вълни, които предизвикват трептения в средата, през която преминават. Сигналите, които се създават, могат да се използват за диагностични цели (ултразвук, доплер ултразвук, еластография) или терапия (литотрипсия, фармако-емулгиране и др.). Те вече се използват за лечение на някои видове рак, миома на матката и глаукома. В допълнение, значителният технологичен напредък, постигнат през последните няколко години, отваря много перспективи за разработването на нови мощни и прецизни устройства в различни области на приложение: кардиология, неврология, психиатрия.

  • здравето

Време за четене

20. мин

Последна актуализация

22.03.19

Микаел Тантер, директор на отдел „Физика на вълните“ за медицина (Inserm unit 979/CNRS/ESPCI Paris/Paris Sciences et Lettres Université) и директор на ускорителя за технологични изследвания Inserm Biomedical Ultrasound, носител на наградата Opecst-Inserm 2014.

Разбиране на ултразвука и неговите биомедицински приложения

Подобно на звуковите вълни, ултразвуковите вълни са механични вълни, които се материализират чрез настройване на молекулите, съставляващи материята, във вибрация. Ако честотата на вълните в областта на звуковите звуци е между 20 Hz за най-ниската честота и 20 000 Hz за най-високата, тази на ултразвука е по-висока, включена между 20 kHz и 10 THz. Отвъд започва полето на хиперсоните.

Ултразвуковите вълни предизвикват трептене около точката на равновесие, молекули в средата, през която преминават. Това трептене постепенно се разсейва в дадена посока от точката на иницииране. Според плътността на пресичаната среда ултразвукът се разпространява с повече или по-малко висока скорост: съпротивлението на даден материал се определя от неговия акустичен импеданс (отбелязан Z и измерен в Паскал секунди на метър), който влияе на тази скорост. От друга страна, ултразвукова вълна, преминаваща през дадена среда, отскача и се връща като ехо, когато стигне до интерфейса на нова среда, чийто акустичен импеданс е различен от първия. По този начин, чрез анализ на обратното разсейване на сигнала, е възможно да се получи информация на анализираната среда.

В медицинската област ултразвукът има редица предимства:

  • Това са вълни, които не присъстват няма опасност (по-специално без йонизиращо лъчение).
  • Те могат да бъдат приложени благодарение на малообемно и евтино оборудване.
  • Те позволяват получаваневидими и интерпретируеми изображения едновременно с изследването.

Франция, люлка на ултразвукови техники

Областта на ултразвука е област, в която Франция е начело: приключението започва с Пиер Кюри, който теоретизира пиезоелектричеството, което позволява да се създаде ултразвук от електрически ток, през 1880 г. Тридесет години по-късно неговият ученик Пол Лангевен разработва първи ултразвуков предавател и приемник, водещ до първа военна употреба по време на Втората световна война (сонар).

Тогава се появява развитието на използването на ултразвук в медицинската област, по-специално чрез ултразвук, разработен от британците. През 50-те години е разработена първата ултразвукова сонда, последвана от първата 2D ултразвукова диагностика в началото на 70-те години, и двете използвани в акушерството. Разработването и използването на доплер ултразвук при оценката на притока на кръв и съдовото съпротивление се ръководи от пионер изследовател, Леандре Пурсело, директор на отдел Inserm 316 „Нервна система на плода към дете“ в Медицинския факултет на Тур (от 1988 до 2003).

Диагностични образни техники

Използването на ултразвукови вълни в диагностичното поле се основава на формирането на изображения от сигнали, разсеяни от тъканите (ултразвук), или на измерване на кръвния поток (доплерово ехо).

Theултразвук се състои от излъчване на ултразвук в посока на тъканите и органите, които трябва да се наблюдават, след това събиране и анализ на ехото на ултразвук в зависимост от разстоянието и импеданса на средата, върху която те са се възстановили.

При конвенционалния двуизмерен (2D) ултразвук сканирането (ръчно, механично, електронно) позволява едновременно излъчване на множество огневи линии в различни посоки. Компютърната обработка на събраните ехо дава възможност да се представи средата, пресечена като функция от техния импеданс, да се пресъздаде двуизмерно изображение, представляващо равнина на разрез на анализираната област:

  • Средата с нисък импеданс (слабо ехо) са показани в черно: те могат да съответстват на течна среда или мека тъкан,
  • носителите с висок импеданс (силно ехо) са показани в бяло.

В това устройство механичните вълни се излъчват от пиезоелектрични материали: това са материали със способността да се деформират, когато са подложени на електрическо напрежение. Тази деформация води до механична вълна, която е фокусирана по посока на тъканите, които трябва да се анализират. След това сонда събира ехото на вълните.

Конвенционално използваният гел при извършване на външен ултразвук избягва смущения, които въздухът може да генерира между сондата и кожата, тъй като има импеданс, сравним с този на последната.

Съвсем наскоро е разработен 3D ултразвук, който позволява, както подсказва името, да се получи триизмерно изображение. В този случай механично или електронно сканиране позволява натрупването на информация, получена в различни ехоточки от различни емисионни точки. Компютърната им обработка дава възможност за създаване на 3D изображение.

Подобренията в пиезоелектричните сонди и във възможностите за изчисляване и придобиване позволяват да се разгледа 4D изображението, т.е. 3D във времето. Такива методи вече се използват в изследователски лаборатории и тяхното развитие скоро може да предложи метод за свръхбързо придобиване, което прави възможно наблюдението на органите или плода с несравнима точност.

TheДоплер ултразвук се използва широко при неинвазивно изследване на кръвоносни съдове. Той се основава на ефекта на Доплер: когато източникът на вълната (или неговият наблюдател) е в движение, честотата на вълната, която излъчва, варира в зависимост от посоката и скоростта на посоката. Емблематичен пример за ефекта на Доплер е звукът на автомобилна сирена, преминаваща от високо към ниско, когато се приближава и след това минава неподвижен наблюдател. Приложен към кръвния поток, този принцип дава възможност да се измери отразената честота и да се сравни с излъчената честота, в зависимост от скоростта на движение на червените кръвни клетки в съда.