Badania USG, czyli jak dźwięki tworzą obrazy

Tekst: Lidia Baściuk

Data publikacji

17 12 2021

Badania USG, czyli jak dźwięki tworzą obrazy

Był piękny poranek w 1822 roku. W niewielkiej łodzi na Jeziorze Genewskim siedział brodaty mężczyzna, Jean Daniel Colladon. Ten szwajcarski fizyk pochylał się nad lustrem wody, a w ręku trzymał tajemniczy przyrząd, częściowo zanurzony w toni. W łodzi nieopodal drugi mężczyzna z innym przyrządem odbierał wysyłane przez Colladona podwodne sygnały.

Tak mogła wyglądać pierwsza próba zbadania prędkości dźwięku w wodzie za pomocą „podwodnego dzwonu”. [1] Dwieście lat później, dzięki podobnej metodzie, możemy sprawdzić, czy w naszych nerkach nie zalegają kamienie, czy krew w tętnicach przepływa wystarczająco wartko i czy płód rozwija się prawidłowo. Ta metoda to badanie USG (ultrasonografia).

Podwodna historia USG

Zaczęło się właściwie od pewnego nietoperza i pewnego księdza. Lazzaro Spallanzani, włoski fizjolog i duchowny, na podstawie swoich eksperymentów w II poł. XVIII wieku, doszedł do wniosku, że „ucho nietoperza skuteczniej (niż oko) służy do widzenia, a przynajmniej do mierzenia odległości…”. Spallanzani wykazał, że nietoperze z zawiązanymi oczami potrafią nawigować w ciemności, ale uderzają o przeszkody, gdy mają zakryte usta. [2]

Walenie – zębowce (np. delfiny, orki, narwale) i ich zmysł echolokacji. Ilustr. za: www.tekportal.net

Prawie dwieście lat później powstał termin echolokacja – czyli zdolność nietoperzy do określania położenia obiektów w otoczeniu przy pomocy echa akustycznego. Dziś wiemy, że przy wykorzystaniu tej metody poruszają się i żerują także walenie, np. delfiny. [3] Świat zwierząt jest dla ludzi inspiracją do poszerzania swojej wiedzy i próby wykorzystania istniejących w naturze rozwiązań na swój użytek. Namierzanie obiektów w przestrzeni za pomocą fal dźwiękowych niewątpliwie było jedną z takich inspiracji.

Podwodne badania nad dźwiękiem rozpoczął Daniel Colladon. Wykazał on, że prędkość dźwięku w wodzie jest większa niż prędkość dźwięku w powietrzu. Wykorzystał do tego wynalazek zwany „podwodnym dzwonem”. Zawieszony pod wodą kościelny dzwon emitował dźwięk, który odbierany był 16 kilometrów dalej, przez inne urządzenie, z wyglądu przypominające trąbkę. [4]

Działanie sonaru służącego do wykrywania min. Ilustr. za: kongsberg.com

Po katastrofie Titanica (1912 r.) ludzkość zaczęła rozmyślać nad metodami wykrywania podwodnych przeszkód. W miarę postępu technologii udało się stworzyć sonar. Sprytne urządzenie, które początkowo służyło do celów żeglarskich, okazało się niezwykłą inspiracją dla lekarzy i inżynierów biomedycznych. [5] Pierwsze aparaty do wykonywania badań USG były tak bardzo inspirowane przeczesywaniem podwodnych głębin, że pacjenci poddani badaniu zasiadali… w wannie wypełnionej wodą. [6]

Popularne w Rozoom

Wielka Lista ponad 230 hobby

Krótko i węzłowato. Kiedy rośliny produkują, a kiedy zużywają tlen?

Krótko i węzłowato. Grawitacja i krążenie Ziemi dookoła Słońca

Krótko i węzłowato. Dlaczego ludzie mają różne grupy krwi?

Nauka&Hobby. Kuchnia molekularna – robimy kulki z napojami!

Świat Diuny. (Nie)realna biologia czerwi pustyni, cz. 1

Częstotliwość ULTRA

Czy istnieje wspólny mianownik, który łączy nietoperza i sonar? Owszem! Są nim ultradźwięki.

Ultradźwięki (inaczej naddźwięki) są tak wysokie, że umykają ludzkiemu zmysłowi słuchu. Przeciętne ludzkie ucho przyzwyczajone jest do częstotliwości z zakresu 16 – 20 000 herców. Powyżej 20 000 herców lokuje się cały szereg wysokich tonów, nierejestrowanych przez człowieka. [7]

Gdybyśmy spojrzeli na falę ultradźwiękową to rozciąga się ona i ściska, nieco przypominając akordeon. [8] Przy jej pomocy można zbadać poszycie samolotu, szyny kolejowe, rurę hydrauliczną, ale także nasze narządy – jamę brzuszną, serce, a nawet oko. [9] Fale ultradźwiękowe w odpowiedniej dawce są bezpieczne dla naszego organizmu. Badanie ultrasonograficzne jest więc popularną metodą obrazowania, która pozwala na swobodne oglądanie dziecka w łonie matki. [10]

Dlaczego warto przyjść na badanie jamy brzusznej z pełnym pęcherzem? Odpowiedź jest prosta — ponieważ ciecze są fantastycznym ośrodkiem rozchodzenia się fal dźwiękowych. Płyn zgromadzony w naszym organizmie tworzy „okno akustyczne” i pozwala dotrzeć głębiej wiązkom ultradźwięków. [8] Z tego samego powodu podczas badania USG, pacjenta smaruje się specjalnym żelem akustycznym. Przeciwnie zadziała gaz zbierający się w naszych jelitach i płucach – fale dźwiękowe prawie całkowicie odbijają się od niego, co sprawia, że może on uniemożliwić przeprowadzenie badania lub interpretację wyników. Aby uniknąć połykania powietrza, przed badaniem nie powinno się jeść i palić tytoniu. [11] W związku z zakłóceniami wynikającymi z obecności gazu, badanie USG nie jest dobrą metodą obrazowania płuc. Ultradźwięki nie mogą także penetrować kości, choć mogą być wykorzystywane do wykrywania złamań. Trudność w obrazowaniu sprawia również nadmiar tkanki tłuszczowej. [12]

Płód w 9 tygodniu od poczęcia. Fot. Vicky Somma/Flickr, lic. CC BY-NC-SA

Ostatnio dodane w Rozoom

Na wystawie w Cogiteonie. Co się działo, zanim ludzie stworzyli cywilizację? cz.2

Aerodynamika, czyli rzecz o samolotach, szybkich samochodach i przystrojonych kominach.

Na wystawie w Cogiteonie. Co się działo, zanim ludzie stworzyli cywilizację?

Świat Diuny. (Nie)realna biologia czerwi pustyni, cz. 2

Świat Diuny. (Nie)realna biologia czerwi pustyni, cz. 1

Wiosna w lesie

Od dźwięku do obrazu – jak to możliwe?

Czy możemy wyemitować ultradźwięki przy pomocy obiektu należącego do świata przyrody nieożywionej? Odpowiedź brzmi: tak!

W naturze istnieją materiały, które mają takie właściwości – należą one do piezoelektryków. Piézō z języka greckiego oznacza „naciskać”. To właśnie pod wpływem nacisku, czyli mechanicznych naprężeń, materiał piezoelektryczny wytwarza ładunki elektryczne i może emitować falę dźwiękową. [13]

Jednym z najpopularniejszych materiałów piezoelektrycznych jest kwarc, który ze względu na szlachetny wygląd, potocznie nazywany jest kryształem górskim. W chemicznym ujęciu jest to tlenek krzemu (IV) SiO2, który należy do najpospolitszych materiałów w skorupie ziemskiej. [14] [15]

Od dźwięku do obrazu – jak to możliwe?

Czy możemy wyemitować ultradźwięki przy pomocy obiektu należącego do świata przyrody nieożywionej? Odpowiedź brzmi: tak!

Kryształ kwarcu. Fot. James Petts/London, lic. CC BY-SA

Najstarsze w Rozoom

Powietrze z kosmicznej perspektywy

Gdy ryba spadnie Ci na głowę

Nie do oddychania

Rekin polarny. 448 lat podmorskiej żeglugi [podcast]

Co by było (najprawdopodobniej), gdyby Ziemia urwała się z grawitacyjnej smyczy Słońca?

Nauka w sztuce. Marie-Anne, chemia i rewolucja!

Taki właśnie kryształ piezokwarcu kryje się w głowicy aparatu ultrasonograficznego. Pod wpływem impulsu elektrycznego kryształ, czyli przetwornik, kurczy się i rozkurcza, wpadając w drgania. Wytwarzane w ten sposób fale ultradźwiękowe penetrują badany obiekt i odbijają się od tkanek. Dzięki odwracalności zjawiska piezoelektrycznego, głowica ultradźwiękowa jest w stanie zarówno generować falę penetrującą, jak i odbierać fale echa. Specjalny program komputerowy przetwarza powracające echa — oblicza czas, jaki był potrzebny do powrotu fali, a dzięki temu także dystans od badanego obiektu oraz intensywność powracającej fali. Powracające echo fal ultradźwiękowych niesie ze sobą informacje o wielkości, kształcie i strukturze badanych narządów. [16] Prezentacja wyników ukazuje się na ekranie ultrasonografu pod postacią intrygującego obrazu w skali szarości. Podobnie jak dzieło sztuki – ten obraz także trzeba jeszcze zinterpretować. Obiekty o małej intensywności echa odpowiadają najciemniejszym (czarnym) tonom, natomiast obiekty o dużym natężeniu powracającego echa odpowiadają jasnym (białym) barwom. [17]

W naszym ciele próżno szukać idealnego reflektora – czyli materiału, który całkowicie odbija fale. W praktyce, pełne odbicie fali zachodzi na granicy ośrodków takich jak woda i metalowa płyta, czy woda i powietrze. [18] Niczym światło w soczewce, część wysyłanej fali odbija się, część przechodzi przez badany materiał i nie wraca, a część ulega załamaniu lub rozproszeniu. Dlatego obraz USG może być obarczony błędem. [19] Z pomocą przychodzą coraz bardziej zaawansowane programy komputerowe, pozwalające na coraz lepszą obróbkę danych. [20]

Kluczowa jest także interpretacja wyników, bo nawet mimo pomocy zaawansowanych programów, bez specjalistycznej wiedzy, po pierwszym spojrzeniu, zwykły amator mógłby pomylić pęcherzyk żółciowy z obrazem… nadgarstka bądź zarodka zagnieżdżonego w macicy. [21]

Nie budzi wątpliwości kwestia zastosowania metody USG do badań profilaktycznych. Warto je wykonywać, aby zadbać o swoje zdrowie i życie.