Ultraääni
Ultraääni on nimensä mukaisesti korkeataajuista, ihmisen kuuloalueen (>20 kHz) ylittävää ääniaaltoa eli mekaanista värähtelyä, joka tarvitsee väliaineen (kiinteä, neste tai kaasu) edetäkseen. Lääketieteessä käytetty ultraäänen taajuusalue on pääsääntöisesti 1-30 MHz. Ultraääntä käytetään kuvaamaan etenkin pehmeitä kudoksia, esimerkiksi luiden kuvaamiseen ultraääni ei sovellu. Ultraääni on turvallinen menetelmä ja usein helposti saatavilla. Laitteet ovat pitkälle kehitettyjä ja valikoimista löytyy myös pieniä ja kannettavia laitteita. Kuvantamisen lisäksi ultraääntä käytetään esimerkiksi hammaskiven poistoon ja isojen molekyylien hajottamiseen.
Ultraääni synnytetään pietsokiteellä, joka saadaan värähtelemään muuttuvan sähkökentän avulla. Kiteen ollessa kosketuksissa ihon pinnan kanssa, sen paksuuden muutokset synnyttävät kudoksessa etenevän mekaanisen aaltoliikkeen. Pulssin kesto ja kestoa vastaava pulssin pituus määrittelevät ultraäänen taajuuden. Ultraäänianturit ovat yleensä laajakaistaisia ja tuottavat pulsseja, joissa on eri taajuuksia.
Edetessään kudoksissa, ultraäänikeila pyrkii hajaantumaan, mikä huonontaa kuvanlaatua. Lääketieteessä käytetyt ultraäänianturit koostuvat useista kiteistä, mitkä toimivat yhdessä. Keilaa voidaan suunnata ja fokusoida haluttuun kohtaan, ohjaamalla kiteiden synnyttämää kenttää esimerkiksi sähköisesti.
Ultraäänen vaimeneminen
Ultraääni vaimenee kudoksissa sekä absorption että sironnan vuoksi. Vaimeneminen kasvaa voimakkaasti ultraäänitaajuuden funktiona:
Syvällä sijaitsevien kudosten, kuten vatsan alueen elimien kuvaaminen ona tarkasti vaikeaa, sillä niiden kuvaamiseen ei voida käyttää korkeita taajuuksia.
Vaimenemista kompensoidaan vahvistamalla syvältä tulevaa kaikusignaalia
Ultraäänilaitteen perustoimintaperiaate
1. Ultraäänianturilla tuotetaan korkeataajuista ääniaaltoa ihmisen kehoon.
- Anturi asetetaan joko ihmisen iholle tai viedään suoraan kehon sisälle (esimerkiksi ruokatorveen). Iholle asetettuna välissä käytetään geeliä ääniaaltojen siirtymisen parantamiseksi.
Anturin pietsosähköiset kiteet alkavat värähdellä siihen johdetun jännitteen tahdissa, jolloin syntyy paineaalto, joka lähtee etenemään kudoksiin
2. Ultraääni etenee kudoksissa ja heijastuu takaisin anturille erilailla eri kudoksista - niiden rajapinnoilta
3.Takaisin samalle anturille heijastuneet ultraäänipulssit siirtyvät laitteeseen, joka muodostaa signaaleista kuvaa käyttäen hyödykseen esimerkiksi Fourierin muunnosta (kts...). Kuvan muodostukseen käytetään monia aaltoja ja anturia liikuttamalla voidaan kuvaa muodostaa eri suunnista.
Kuvauslaite ja ultraääninäytöt
Ultraäänilaite koostuu pääosin ultraääntä lähettävästä ja vastaanottavasta anturista, anturin virityspulsseja synnyttävästä, kellolla varustetusta lähetinyksiköstä, palaavan kaiun vahvistus- ja jatkokäsittelyelektroniikasta sekä näytöstä. Kello määrittää ultraäänipulssin toistoajan ja ohjaa näin pulssien lähetystä ja vastaanottoa. Palaavien kaikujen synnyttämä signaali on heikko, joten sitä täytyy vahvistaa, ottaen huomioon syvällä syntyvien kaikujen voimakkaampi vaimentuminen. Vahvistaminen on tehtävä siis syvyyden mukaan. Lisäksi kaikusignaaleja tulee useimmiten suodattaa häiriöiden ja kohinan vuoksi ja skaalata sopivaksi ennen näytöllä näyttämistä.
Ultraäänilaitteet voivat näyttää kuvan eri muodoissa näytöllä. Itse kuvan muodostuminen vaatii sen, että kaikuja kerätään koko kuva-alueelta. Vanhin tapa on A-kuvaus (amplitudikuvaus), joka on yksiulotteinen menetelmä. Tässä heijastusten amplitudeja esitetään kudossyvyyden funktiona (Kuva 2, keskellä). Tätä tapaa enää harvemmin löytyy uusista laitteista.
Nykyään yleisin tapa muodostaa kuva on B-kuvaus (brightness, kirkkauskuvaus), jossa kaiut sijoitetaan syntypaikkaa vastaavalle kohdalle ja kaikujen voimakkuudet esitetään eri harmaan sävyinä (Kuva2, oikealla). Pystyakseli (aksiaalinen) kuvaa syvyyttä ja vaaka-akseli (lateraalinen) sivusuuntaista etäisyyttä. Tiheät ja jäykät kudokset heijastavat hyvin ääntä - näkyvät vaaleina. Nestepitoiset (esimerkiksi virtsarakko) heijastavat ääntä huonosti, näkyvät puolestaan lähes mustina. Luun pinta, paksut kalvot ja kaasut heijastavat äänen täydellisesti takaisin, joten niiden taakse ei pysty ultraäänellä näkemään. Lääketieteessä käytettävä ultraääni ei kulje kaasuissa, joten esimerkiksi ilmatäytteistä vatsaa on vaikea kuvata ultraäänellä. B-kuva modostetaan käyttämällä erilaisia antureita (Kuva 2), joiden yksittäiset kiteet tai kideryhmät lähettävät ja vastaanottavat äänen ja muodostavat siten oman juovan kuvaan.
Kuva 1. Ultraäänikuva (B-kuvaus) munanjohtimen raskaudesta (Terveyskirjasto 2008)
M-näyttö (motion, liike) näyttää akustisten rajapintojen paikat reaaliaikaisesti ja harmaasävytettyinä. Tämä kuvausmenetelmä tuo hyvin esiin rajapintojen liikkeen, jolloin on mahdollista esimerkiksi visualisoida sydämen läpän liikettä.
Kuva 2. Ultraäänikuvan muodostuksen periaate
A-kuvassa on esitetty yhdessä kuvalinjassa vastaanotetut kaiut.
Kudos 2 on tiheämpää ja jäykempää kuin kudos 1 -> heijastuneen ultraäänipulssin amplitudi on kuvassa suurempi
B-kuvassa on esitetty useita kuvalinjoja (A-kuvia) vierekkäin ja heijastuneiden ultraäänipulssien amplitudi on esitetty harmaansävyinä
Matalat amplitudit eli pieni heijastus = tummat sävyt
Korkeat amplitudit eli suuret heijastukset = vaaleat sävyt
Lähde Duodecim Oy 2013, Saarakkala Simo
Dopplertutkimus
Dopplertutkimus perustuu nimensä mukaisesti dopplerilmiöön, jolla tarkoitetaan ääniaallon taajuuden muutosta aaltojen lähteen ja havaitsijan siirtyessä toisiinsa nähden, vertaa esimerkiksi hälytyajoneuvon ääni. Tämän tekniikan avulla on mahdollista mitata veren virtausnopeutta ja virtauksen suuntaa. Virtausnopeutta määritettäessä tekniikka perustuu siihen, että ultraäänianturin lähettämän ja vastaanottaman äänen taajusero riippuu verisolujen liikenopeudesta. Jos veren virtausnopeus on laminaarista (tasaista) , syntyy tietty virtausta vastaava taajuusmuunnos. Virtauksen muuttuessa turbulentiksi (pyörteiseksi) , sisältää saatu dopplersignaali useita taajuuksia. Veren virtaus suorissa suonissa ja sydämessä on normaalisti laminaarista. Dopplerkuvantamisessa saatu signaali riippuu voimakkaasti anturin ja virtauksen välisestä kulmasta, minkä vuoksi yli 20 asteen kulma tulee korjata matemaattisesti eikä yli 60 asteen kulmia tulisi lainkaan käyttää.
Dopplertutkimuksia on kahdenlaisia: jatkuvadoppler ja pulssidoppler. Pulssidopplerissa sama kide lähettää ja vastaanottaa signaalin. Säätämällä kaiun vastaanottoaikaa, pystytään tietoa keräämään halutulta syvyydeltä. Kerätty tieto on mahdollista yhdistää B-ultraäänikuvaan (ns. väridoppler) Virtaussuuntaa kuvataan tässä väreillä sininen kuvastaa virtausta pois päin anturista ja punainen anturia kohti. Jatkuvadopplerissa eri kiteet lähettävät ja vastaanottavat jatkuvasti ääntä. Tällä tekniikalla on mahdollista mitata erittäin nopeita tai hitaita virtauksia, mutta syvyyksiä ei pystytä erottamaan, sillä anturi mittaa kaiken virtauksen, mikä on keilan alueella.
Kuva 3. Vasemman munanjohtimen raskauden väridoppler (Terveyskijasto 2008)
Ultraäänianturityypit
Lääketieteellisessä kuvantamisessa sama anturi toimii sekä ultraäänen lähettäjänä että vastaanottajana.
Lineaarianturi muodostaa suorakulmion muotoisen kuvan kohteesta, käytetään esimerkiksi vatsan alueen ultraäänikuvauksissa
Sektorianturilla kuvatessa ultraäänielementin (oranssialue) koko on pienempi kuin lineaarianturilla kuvatessa. Ääni lähetetään anturilta viuhkamaisesti, jolloin saadaan sektorimainen kuva laajemmalta alueelta.
Vaiheanturissa voidaan käyttää hyvin pientä ultraäänielementtiä. Sähköisesti pulssittamalla elementtiä, voidaan muodostaa sektorimainen kuva laajemmalta alueelta. Tämä anturi soveltuu hyvin esimerkiksi kuvattaessa sydäntä kylkiluiden välistä.
Kuva 4. Ultraäänianturityypit (Duodecim Oy, 2013)
Lähteet:
Saarakkala Simo. 2013. Ultraäänikuvantamisen perusteet. https://www.duodecim.fi/xmedia/www/esittelyt/850_esittely.pdf
Saarakkala Simo. 2013. Ultraäänikuvan muodostuksen periaate. Kustannus Oy Duodecim.
Soimakallio S., Kivisaari L., Manninen H., Svedström E. & Tervonen O. 2005. Radiologia. WSOY.
Palo Pertti. 2008. Potilaskuvasarja vasemman puolen munajohdinraskaudesta. Terveyskirjasto. http://www.terveyskirjasto.fi/terveyskirjasto/tk.koti?p_artikkeli=imk00380