Vizsgálóeljárások klinikai jelentősége: Ultrahang

3. Vizsgálóeljárások klinikai jelentősége: Ultrahang

Írta: Kollár Attila

 

3.1. A fejezet oktatásának célja:

Megismertetni a hallgatót a nem ionizáló sugárzást alkalmazó és noninvazív orvosi képalkotó módszerrel, annak fizikai alapjaival, terjedésével különböző közegekben, technikáival és alkalmazott módjaival (A, B és M). Ismerje meg és medicinalisan értelmezni és használni legyen képes a hallgató az UH módszer fizikai tulajdonságokon alapuló nomenklaturáját. Nyerjen bepillantást az újabban használatos UH technikákba (kontrasztanyag alkalmazása, tissue harmonic imaging és sonoelastographia).

3.2. Fizikai, technikai alapok

3.2.1. Az UH fizikai jellemzői

Ultrahangon a 20 kHz feletti mechanikai hullámokat értjük, ami az emberi fül számára általában már nem hallható.
Az ultrahangot ólom-zirkonát-titanát alapú kis piezoelemek állítják elő. Ezek apró kerámialapocskák, vastagsági rezgők, melyek a rájuk kényszerített elektromos rezgéscsomagnak megfelelően csillapodó mechanikus rezgést végeznek és ekkor ultrahang keletkezik (1. ábra). Az adott transducer frekvenciáját a piezokerámia lapocskák vastagsága határozza meg. A másodperc tört része alatt többször is a kerámialapocskák adóként és vevőként is működnek. A vevő funcióban a vizsgált területről a piezokristályra visszaverődő ultrahang készteti rezgésre az adott szeletkét, melyről aztán elektromos impulzus vezetődik el.
Az UH kép a szervezet belsejéből származó hangreflexiókat megjelenítő, nagy teljesítményű számítógéppel összerakott visszhang-kép (ezt szinte valós időben, minimális késéssel tudjuk számítógépes monitoron megjeleníteni - 14-25 kép/sec).

3.2.2. Az Ultrahang terjedése

3.2.2.1. Az Ultrahang sebessége

Az ultrahang terjedéséhez természetesen valamilyen közegre szükség van. Ennek a mechanikai rezgésnek a terjedési sebessége az adott közegben állandó, ami biológiai szöveti struktúrákban 1540 m/sec körüli értéket jelent.
Ez a sebesség jelentősen változik különböző folyadékokban vagy szöveti struktúrákban, pl.:
Víz (20 C fokos) - 1480 cm/s,
Víz (36 C fokos) - 1530 cm/s,
Agy - 1540 cm/s,
Zsír - 1450 cm/s,
Csont - 2500-4700 cm/s.

3.2.2.2. UH frekvencia és hullámhossz

Az UH frekvenciája és a terjedési sebesség ismeretében a hullámhossz (λ) kiszámítható: λ=c/f,
pl. 5 MHz frekvencia mellett a hullámhossz: λ= 0,3 mm.
Az UH longitudinalis terjedése során az adott közegben a terjedés mentén sűrűsödések és ritkulások is kialakulnak, mely nyilvánvalóan függ az adott közeg sűrűségétől.

3.2.2.3. Az UH terjedése határfelületeken

A különböző határfelületeken történő átjutás következtében az UH által megjelenített képen látható objektumok nem „pontosan ott” helyezkednek el, ahol a monitoron megjelenítésre kerülnek. Ezt különösen UH vezérelt beavatkozások során kell feltétlenül számításba venni.

3.2.3. AZ UH energiatartalma, biztonsági megfontolások

Igen fontos fizikai paraméternek tekintjük még az adott felületegységre eső energiát is, amit W/cm² formában tudunk megadni. Orvosi diagnosztikai alkalmazás során általában
100 mW/ cm² intenzitás alatti ez az érték.
Mai tudásunk szerint ez az energiamennyiség egy átlagos, 10-12 perces UH vizsgálat során nem káros az emberi szervezet számára. Hosszabb időtartamú Doppler vizsgálatok esetében azonban már az érintett területen néhány tized fokos hőmérséklet emelkedést tapasztalhatunk.
Ez magyarázza, hogy – különösen az első trimeszterben – csak igen limitált időintervallumban szabad Doppler vizsgálatot végezni terhességi UH vizsgálatok során.

3.2.4 Az UH megjelenítési módszerei

A-mód (Amplitude mode)
Ennél a módszernél a megjelenített képen a vízszintes tengely a vizsgált terület mélységét, míg a függőleges tengely az echók amplitudóját jelenti. A szemészeti biometriai alkalmazások során, elsősorban távolságmérésre használják (2. ábra).

 
M-mód (Time-Motion mode)
A B képen meghatározott egyetlen UH nyaláb mentén a visszaverődő echók pozíciójának időbeli változását lehet ezzel a módszerrel megjeleníteni (3. ábra). Legnagyobb jelentőségre az echokardiographiában tett szert.

 
B-mód (Brightness mode)
Az adott transducerben lévő piezoelektromos kristályok (pl. 256 db) gerjesztette UH nyalábok más-más határfelületekről verődnek vissza az adott szöveti struktúrában. A készülék gyors számítógépes adatgyűjtésének és feldolgozásának köszönhetően ezek a reflexiók az UH monitoron pici „fényes” vagy „kevésbé fényes” pontokként jelenítődnek meg, amelyek ezáltal képpé állnak össze (4. ábra). A keletkező képek pedig igen gyors (25-40 frame/sec) egymásutánban váltják egymást a monitoron, ami így valósidejű (real-time) vizsgálatot eredményez.

3.2.5. Az UH echostruktúrák fajtái

UH továbbjutása a határfelületeken:
Az UH számára a levegővel, valamint a meszes, csontos képletekkel képzett határfelület olyan jelentős reflexiót eredményez, hogy a mögöttes területek gyakorlatilag nem ábrázolhatók.
Az UH nyalábnak a szöveteken történő áthaladása, határfelületekről történő visszaverődésének mennyisége alapján a következő echostruktúrákat különböztetjük meg:
Cisztózus: 1. Echomentes
Szolid: 2. Echoszegény
3. Echodús
4. Echodenz

A valósidejű (real-time) B-módú UH képalkotás, a mai UH diagnosztika alapja és a fenti négyféle echointenzitásbeli megjelenés keveredik – különböző módon – az UH által vizsgálható szöveti struktúrákban.

3.2.6. Az UH kép felbontásának jellemzői

Mélységi (axiális) és oldalirányú (lateralis) felbontás
Annál jobb, részletgazdagabb képet kapunk az adott UH készülék segítségével, minél jobb felbontás érhető el a megfelelő irányokban. Az axiális felbontás magasabb MHz-cel működő transducer esetében javul. A lateralis felbontás javításához megfelelő mélységi zóná(k)ban fókuszált UH nyalábra van szükség. A dinamikusan fókuszált UH nyaláb segítségével a lateralis felbontás szinte a teljes vizsgált mélységig csaknem egyforma lesz.

3.2.7. UH Doppler technika (spektrum Doppler)

Az áramló részecskékről történő hangvisszaverődés (közeledő, távolodó) különböző sebessége adja a Doppler UH technika alapját.
Az egyszerű, folyamatos hullámú CW (continous wave) Doppler eszközben található egy adó és egy vevő. Ennél a technikánál elviekben a sebességmérésnek nincs határa.
A pulzus Doppler alkalmazása esetén az adott UH nyaláb mentén mi jelölhetjük ki egy változtatható szélességű, kis mintavételi kapu (gate) segítségével, hogy honnan kívánunk sebesség információt nyerni (artériák - 5.ábra, vénák - 6. ábra). Az így felvett görbe alapján az adott érszakaszból kapott sebességértékekkel, kvantitatív módon tudjuk jellemezni az áramlást az idő függvényében.

 

3.2.8. Color Doppler UH

Az adott mintavétel területén (color box) a transducer felé történő áramlást pirossal, a transducertől távolodó áramlást pedig kékkel fogja kódolni alapesetben a számítógép. Az áramlás változó sebességértékeihez pedig szintén más színárnyalat rendelődik hozzá. Ebből adódóan a szűkületek területén, jelentősebb érkanyarulatok magasságában is változó színárnyalatokkal találkozhatunk (7. ábra). Az áramlás kvantitatív mérésére a color Doppleren túl az adott területről felvett Doppler spektrum szolgál (minél kisebb mintavételi kaput választunk, annál kevésbé „zajos” Doppler görbét nyerhetünk).

3.2.9. Power Doppler UH

Ennél a Doppler technikánál az áramlás ténye erősítődik fel az adott power Doppler box alkalmazásának régiójában, ami mintegy 7-8-szor érzékenyebb a Color Doppler-hez képest, viszont ezzel nem tudunk áramlási irányt meghatározni. Ebből adódik, hogy a kicsi áramlású, változó sebességkomponensű területek egységes kimutatására rendkívül alkalmas ez a módszer (8. ábra).

3.2.10. Háromdimenziós (3D) és négydimenziós (4D) UH

A hagyomás 2D Ultrahang vizsgálat során egy általunk kiválasztott síkban történik meg a képalkotás. A 3D UH vizsgálattal viszont egy kijelölt térfogatból kapott nagymennyiségű echó feldolgozásával készül el a vizsgált térfogategység háromdimenziós megjelenítése (9. ábra).
A 3D UH technika utóbbi 8-10 évben tapasztalt viharos fejlődése lehetővé tette, hogy a speciális vizsgálófejekkel készített 3D UH képeket az akvizíciós idővel majdnem azonos időben, mozgó struktúraként tudjuk ábrázolni. Így jutottunk el a rekonstruált 3D kép mozgásban történő megjelenítéséhez, azaz a 4D UH vizsgálathoz.

3.3. Kontrasztanyagos UH vizsgálatok

A gázbuborékokat UH kontrasztanyagként már 1968-ban alkalmazták, de szélesebb körben csak a 90-es évek közepétől vonult be a radiológiai felhasználások közé. Kezdetben a kardiológiai dopper vizsgálatoknál az érzékenység fokozására használták az UH kontrasztanyagokat. A Doppler vizsgálatokkal néhány mm átmérőjű erekből még lehet áramlást kimutatni, viszont az i.v. beadott 2-3 ml-nyi UH kontrasztanyag segítségével kapilláris szintű áramlás detektálására van lehetőség. Alacsony mechanikai indexnél a szövetektől jól elkülönülő, erős jelet ad a kontrasztanyag.
A Magyarországon jelenleg az egyetlen törzskönyvezett és klinkailag alkalmazható UH kontrasztanyag a SonoVue (életideje i.v. beadás után mintegy 5-10 perc a vizsgált területtől függően, kén-hexafluorid gázból és foszfolipid burokból áll).
Az UH kontrasztanyagok alkalmazása egyre inkább terjedőben van a különböző szervrendszereket illetően (10. ábra, 11. ábra).

3.4. Szöveti harmonikus képalkotás (Tissue Harmonic Imaging – THI)

A 2D UH vizsgálatok segítségével, az adott frekvencián (pl. 3,5MHz) végzett képalkotás során a szövetekben keletkező, a kibocsátási (fundamentális) ultrahang-frekvencia egészszámú többszöröseit jelentő felharmonikusokat is felhasználhatjuk. Ennek megfelelően megkülönböztetjük a szöveti (THI) és a kontrasztanyagos vizsgálatoknál használt harmonikus képalkotást (Contrast Harmonic Imaging - CHI).
A felharmónikusok az alap ultrahang frekvenciák egészszámú többszöröseit jelentik. (Pl. 5 MHz – 10 MHz). A felharmónikusok a szövetekben keletkeznek a fundamentális UH következményeként, mivel a nagyobb nyomású félperiódusok idején (sűrűsödéskor) kicsit nagyobb az UH terjedési sebessége, míg ritkuláskor kisebb. Az eredeti sinuszos rezgéscsomag ennek következtében torzulást szenved, azaz felharmónikusok keletkeznek. Az ultrahang vételénél az alapfrekvenciájú rezgéseket törölve a felharmonikus frekvenciák segítségével sokkal zajmentesebb, jobban értékelhető, kétdimenziós képeket nyerhetünk. Ez elsősorban a parenchymás szervek szerkezetének részletgazdagabb megítélésére, a körülírt laesiók élesebb kontúrú megjelenítésére használható (12. ábra). Az alapfrekvencián végzett vizsgálathoz viszonyítva az erősítés-beállítás korrekciója szükséges. A THI és a CHI technikák szélessávú vizsgálófejek alkalmazását feltételezik.

3.5. Endocavitalis, endoszkópos UH módszerek

A bőrfelszínen át alkalmazott UH technikák mellett - phased array, többféle konvex (3,5 – 6 MHz) és lineáris UH fejekkel (5 – 10 MHz) (13. ábra) - a különböző endocavitális és laparoscopos UH módszerek a folyamatos technikai fejlődés miatt egyre nagyobb jelentőséggel bírnak. Ezeknél a transducereknél igen magas, 10 – 14 MHz frekvencia alkalmazásával az UH kép térbeli felbontása drámaian javul:
Endoszkópos UH – nyelőcső, gyomor, duodenum, endobronchialis, endonasalis
Intraductalis UH – epeutak, Wirsung-vezeték
Transrectalis UH – rectum, prostata, perirectalis tér (14. ábra)
Transvaginalis UH – vagina, uterus, ovariumok
Laparoscopos UH – hasi, kismedencei, mediastinalis régió.
Speciális intraoperatív transducerekkel, azokat a parenchymás szervek közvetlen felszínére helyezve a nem tapintható eltérések (pl. májparenchymán belüli kisebb metasztázisok) is megjeleníthetők.

 
Az endoszkópos UH alkalmazására példaként említhetjük, hogy gyomortumorok esetében a fali terjedés pontos megítélésben, valamint a gyomor körüli pathológiás nyirokcsomók kimutatásában az endoszkópos UH nagyon fontos képalkotó módszer és szenzitivitása, specificitása az MDCT-vel azonosnak tekinthető. A távoli metasztázisok megítélésére természetesen az MDCT, az MRI és a PET-CT az alkalmas képalkotó technikák.
A pancreas fejre lokalizálódó daganatok esetében a duodenum magasságában végzett endoszkópos UH segítségével az elváltozás környezeti terjedése, belső szerkezete, vascularisaltsága nagyon jól megítélhető, sőt ennek segítségével, speciális tűvel az UH vezérelt biopszia is kivitelezhető.

3.6. Az Ultrahang szerepe az onkológiai képalkotásban

Nagyon fontos, non-invazív vizsgáló módszer valamennyi ultrahangos technikával vizsgálható, megjeleníthető daganattípus esetében.
A módszer a CT és MR vizsgálatokhoz képest jelentős mértékben vizsgálófüggő eljárás, ezért pl. az onkológiai képalkotásban - ahol a reprodukálhatóság, összehasonlíthatóság, a rendszeres nyomon követés igen fontos – a jelentős technikai fejlődés ellenére sem képes azokkal azonos mértékben teljesíteni.
A hagyományos 2D képalkotás segítségével valamennyi parenchymás szerv és a felületes lágyrészek jól vizsgálhatók, azonban a levegő, a csontok és a meszes képletek az UH számára áthatolhatatlan akadályt jelentenek, mivel ezekről teljes mértékben visszaverődnek. Az UH képminőségét ronthatja, zavarhatja az intaabdominalis képletek megítélésében a jelentős obesitas és postoperatív állapot (kötések, drainek) fennállása is.
Az egészen felszínesen elhelyezkedő, subcutan rétegekben lévő tumorgyanus elváltozások képi megjelenítését, valamint a nyirokrégiókban elhelyezkedő felszínes nyirokcsomók UH morfológiai megítélését gélpárna alkalmazása segítheti.
A Color-Doppler és Power-Doppler módszerek segítségével értékes információkat kaphatunk a daganatok vascularisaltságát illetően (15. ábra). Az egyes tumorokon belüli vascularisationak és a doppler spektrumok elemzésének segítségével (pl. hepatocellularis carcinoma, FNH, adenoma) fontos információk nyerhetők, melyek segíthetnek a differenciál diagnosztikai megítélésben.

3.7. Szonoelasztográfia

A szonoelasztográfiás vizsgálat során a transzducerrel finoman összenyomják a kiválasztott régiót. Így az itt elhelyezkedő lágyabb szövetek jobban, a keményebbek kevésbé nyomódnak össze, miután a B-képen ezek a színkódolt ábrázolás következtében megkülönböztethetők lesznek. A szervezetben a különböző gyulladásos vagy daganatos folyamatok következtében a szöveti struktúrák keményebbé, rugalmatlanabbakká válhatnak. Ennek mértéke a rugalmassági együttható megváltozásával jellemezhető. A transzducerrel való összenyomás következtében a rugalmasságtól függően a szövetek mind axiálisan, mind oldalra, laterális irányban kiterjednek. Megfelelő autokorrelációs szoftver alkalmazásával ezek a méretváltozások quantitatíve kiértékelhetők. A keményebb struktúrákat kék színnel, a lágyabbakat pirossal jelenítik meg az adott B-képen. Mivel a keménységi értékekben átmenetek is vannak, ezért a színkódolásban színárnyalatok is megjelennek (16. ábra). Az irodalomban már számos közlemény jelent meg a májfibosis, az emlő-, a pajzsmirigy-, a prostata-, a here- és a pancreasdaganatok szonoelasztográfiás vizsgálatával kapcsolatban.

Útravalóként összefoglalva:

Megismertük a az UH keletkeztetés módját, annak detektálását
Fizikai-technikai alapjait és tulajdonságait
Elsődleges szerepét a noninvaziv és sugárterhelést nem okozó képalkotó eljárások között
Alkalmazhatóságát a vascularis vizsgálatokban / vascularitás megítélésében
Különleges (endocavitalis) alkalmazásait, szerepét az onkologiai vizsgálatoknál
A kontrasztanyag adás előnyeit

---