Az ultrahang-diagnosztika fejlődése

Definíció

• Hanghullám,melynek rezgésszáma:

ν > 20000 Hz

Emberi fül nem hallja

Diagnosztikai UH: ν=2-18 MHz

Lazzaro Spallanzani 1794

Ultrahangok felismerése: Lazzaro Spalazzani olasz tudós, 1794-ben bebizonyítja, hogy a denevérek emberi fül által nem hallható hangokkal tájékozódnak a sötétben.

A hangsugárzás fizikai alapja: longitudinális hullámmozgás, az anyagban hullámfrontszerűen tovaterjedő, periodikus sűrűsödésekből és ritkulásokból álló mechanikai deformáció.

Jean Daniel Colladon & Jacques Charles François Sturm1822 Genfi-tó

„V=1435 m/s”

Első mérés a hang terjedési sebességére vízben

Lord Rayleigh (John William Strutt)1842-1919

1877 – „The theory of sound”

A hang fizikai jelenség magyarázata – longitudinális hullám, terjedés, szóródás, stb.

Pierre & Jacques Curie 1880

Piezoelektromos hatás

polyvinlidene fluoride, (–CH2–CF2–)n,

Ólom-cirkonát-titanát

UH keltés és detektálás fizikai alapja: piezoelektromos hatás – egyes kristályokban feszültségváltozásra alakváltozás (rezgés), alakváltozásra (deformáció) feszültségváltozás jön létre.

Alexander Behm 1912

Víz alatti távolságmérés elve

A víz alatti távolságmérés elvének első leírója. Elméletének jelentőségét támasztotta alá ugyanebben az évben a Titanic katasztrófája.

REGINALD FESSENDEN 1866-1932

Első működő szonár(2 mérföld távolság, irány nélkül!)

Kanadai születésű, az akusztikus rádiózás megalkotója.

Több mint 500 szabadalom létrehozója.

Víz alatti távolságmérő készüléke egy forgó indukciós tekerccsel hozott létre alacsony frekvenciájú zajt, majd vételi állásba kapcsolt és detektálta a visszaérkező jeleket.

Paul Langévin (1872-1946)

1915

Első iránymeghatározásra is alkalmasberendezés ”Hydrophone”SONAR - Sound Navigation and Ranging

Két acéllemez közé szorított kvarc kristályokat alkalmazott transducerként

A SONAR első sikeres alkalmazása:I. Világháború1916.04.23., U-boat UC-3

1928 Szergej Szokolov:Ultrahangos anyagvizsgálat

Leningrádi fizikus, először a transzmissziós, majd a refletkív ultrahangos anyagvizsgálat elvét dolgozta ki, de a rendelkezésre álló technika a gyakorlati megvalósítást csak a 40-es években tette lehetővé.

UH terápia 1939-Az első humán alkalmazás… fizikoterápia

Karl Theodore Dussik 1942

Hyperphonography

1908-ban született, osztrák neurológus-pszichiáter. 1938-tól az USA-ban dolgozott. Transzmissziós elven működő ultrahang-berendezésével ábrázolni vélte az agy kamrarendszerét. Az általa észlelt képek később műterméknek bizonyultak (üres koponya is ugyanilyen képet produkált). Későbbiekben az UH terápiás felhasználásának lehetőségeit kutatta.

John J. Wild 1950

A-mód szervanalízisMinesota Egyetem, Minneapolis

A-mód technikával egészséges és tumoros vastagbél-szakaszok analízisét végezte. Az eltérő eredmények differenciálásra adtak lehetőséget a látszólag egészséges bélszakaszok tumoros érintettsége felől. Elsőként alkalmazta az UH vizsgálatot emlő tumoros folyamatainak megítélésére.

George Ludwig 1951

University of Pennsylvania

Állatok izomzatába ágyazott epekövek kísérleti kimutatása(A-mód UH)

Douglas Howry 1950

B-mód Compound technikaColorado Egyetem, Denver

Sebész a Coloradoi Egyetemen. Elsőként rögzített keresztmetszeti képet B-mód technikával.

B-módCompound

A Compound technika lényege, hogy a mozdulatlan beteg felett vagy körülötte mozgó transducer különböző irányokba kibocsájtott UH impulzusaiból származó echokat a képelemző rendszer egy állóképpé alakítja. A térbeli felbontás a transducer aktuális helyzetéből és a detektált echok válaszidejének párosításából alakul ki. A több irányból is echot adó térelemek a képen kivilágosodnak, az echoszegény területek sötétek maradnak. Mozgás hatására a kép eltorzul, a letapogatást meg kell ismételni.

Emlő UH vizsgálata1952

Az első berendezések

A transducer és a testfelszín közötti kontaktust az első berendezésekben vízfürdő biztosította.

Ian Donald1910-1987

1955-

A glasgow-i egyetem szülészprofesszora. 1939-1945 között a RAF orvosaként megismerkedett a SONAR és RADAR technikával. 1955-től folytatott kísérleteket az UH orvosi (szülészeti-nőgyógyászati) alkalmazása területén.

Ian Donald nevéhez fűződik a korai terhesség teli hólyaggal történő vizsgálatának bevezetése. A teli hólyag kiemeli a kismedencéből az uterust, így közelebb kerül a transducerhez és jobban vizsgálható.

William Fry~1950-University of IllinoisUH terápia,Computeres echo-analízis

Fizikus, a II. világháború alatt az USA haditengerészeténél piezo-elektromos egységek fejlesztését végezte. A háború után az Illinois-i Egyetemen helyezkedett el. Első kutatási területe az UH idegsebészeti alkalmazása volt. Célzott UH nyalábokkal sikerült idegdúcokat elroncsolnia Parkinson-kóros betegek agyában. Ezután a diagnosztikus UH felé fordult. A hatvanas évek elején bevezette a korábbi analóg képalkotás helyett az UH echok computeres analízisét, mely jelentősen javította a képminőséget.

Fry első computert alkalmazó berendezésében a számítóegység szobányi helyet foglalt el.

Első kísérleti UH berendezések. A transducer és a testfelszín közötti kontaktust vízréteg helyett zselészetű anyag biztosította. A trasducert mozgató mechanikus szerkezet érzékelői közölték a számítóegységgel a transducer helyzetét és irányát. Ezek alapján tudta a berendezés kiszámítani az észlelt echok forrásának helyét és megalkotni az UH képet.

M-mód UH

1959 James WillocksFoetalis cephalometria

Másik angol kutató, aki a terhességi kormeghatározásra manapság is alkalmazott foetalis biparietalis cephalometriát fejlesztette klinikai eszközzé.

UH terjedése

UH terjedése biológiai anyagokbanSebesség

(m/s)

• Levegő: 330• Zsír 1450• Víz 1480• Lágyrészek (átl.) 1540• Agy 1540• Máj 1550• Vese 1560• Vér 1570• Izom 1580• Szemlencse 1620• Koponyacsont 4080

1962

A Glasgow-i fejlesztőgárda munkája nyomán megszületett első, piaci forgalomba került UH berendezés.

Az első piaci berendezés

A későbbi berendezéseken a transducer helyzetét a korábbi nehézkes mechanikus szerkezet helyett egy „zsiráfnyak”-nak nevezett csuklós állvány mozgásérzékelői detektálták. A vizsgálathoz továbbra is a beteg teljes mozdulatlanságára volt szükség, és a nyert adatokból a gép testtájanként csak egyetlen képet készített.

1963 Richard Soldner: valós idejű UH

Vidoson – az első valós idejű 2D UH berendezés. A transducert víztartályban forgatta, az ultrahang hullámokat parabolikus tükörrel fókuszálta. A pásztázás és a jelfeldolgozás gyorsasága lehetővé tette másodpercenként több kép elkészítését. A képenkénti letapogatás gyorsasága a mozgási műtermékek hatását lecsökkentette. Az esetleges szervmozgások nem deformációként, hanem elmozdulásként ábrázolódtak.

~1970-grayscale

A hetvenes években már több orvosi eszközöket gyártó cég fejlesztett UH eszközöket. Az ekkor készített berendezések a korábbi fekete vagy fehér képpontok helyett a detektált echok erősségét a szürke különböző árnyalataival jelenítették meg. Ezáltal megnőtt az UH szöveti felbontó-képessége.

A modern szektor-transzducerekben egyszerre több piezo-elem működik, ezek össszehangolt UH impulzusai tapogatják le a vizsgálati területet. Ugyanezek az elemek végzik az echok felfogását is.

Fent: konvex szektortransducer és a segítségével létrehozott kép.

Mai transducerek

3, sőt 4D UH!

A mai legmodernebb UH készülékek a teljes vizsgálati térfogat letapogatása után 3, sőt 4 dimenziós képeket is elő tudnak állítani.

Johann Christian Doppler 1842

UH áramlásmérés

Osztrák fizikus és matematikus, a róla elnevezett, mozgó sugárforrásokon észlelt ferkvencia-shift matematikai leírója.

Shigeo SatomuraElső doppler UH

1955 Az UH doppler eljárás elsőkénti alkalmazója Shigeo Satomura. 1955-ben Osaka-ban perifériás erek pulzációját és a szívbillentyűk mozgását vizsgálta Doppler effektus segítségével.

A korai Doppler berendezések folyamatos UH jelet bocsátottak ki. A visszaérkező, szintén folyamatos impulzusokat egy külön transzducer fogta fel. A kibocsátott és visszavert frekvencia különbsége – a vér áramlási shift-frekvenciája – a hallható hang tartományába esik, egy egyszerű hangszóróba vezetve megszólaltatható. A módszer előnye, hogy bármilyen magas áramlási sebesség mérhető vele.

A mai modern Doppler mérési technikák impulzus üzemmódot alkalmaznak. A transducer nagyon rövid UH impulzusokat bocsát ki, és a mérési térfogatnak megfelelő időben beérkező echokat elemzi erősség és frekvencia-változás szempontjából. Azonos transducer végzi az adást és a vételt is, váltogatva az üzemmódok között.

A módszer alkalmas az áramlás irányának és jellegének meghatározására, szűkületek helyének behatárolására is.

Ultrahang módok

• A-mód: a legegyszerűbb UH mód. Egy transzducer-egy echo. Mélységmérésre használható. A terápiás ultrahangnyaláb is A-módú.

• B-mód: a transzducerek egymás melletti egyenes vonalban rendeződnek el. A vizsgált objektum 2 dimenziós képként ábrázolódik.

• M-mód: mozgási (motion) UH. B-módú scanek gyors egymásutáni leképezése, ami mozgásként ábrázolódik

• Doppler mód: Doppler-elven működő módszer, mely a véráramlást jeleníti meg– Color Doppler: az áramlás színkódolt információként jelenik meg egy B-módú

képen– Folyamatos Doppler (continuous wave – CW)– Pulsed wave (PW) doppler– Duplex, Triplex: az előzök kombinációi

• Biplanaris, omniplanáris ultrahang (több B-módú sík); 3D és 4D• UH kontrasztanyagok

Ultrahang módok

“One of 25 new ideas for a changing world”

ExAblate®

2000

Non-invasive MR guidedFocused Ultrasound (MRgFUS)

Business Week, August 2002

Mi a fókuszált ultrahang?

A fókuszált ultrahang berendezés hőt termel és ezáltal fejti ki szövetölő hatását a fókuszpontban.

Water Bath

Focused Ultrasound Beam

Tumor

Transducer

„Mint a nagyítóval fókuszált napsugarak”

MR vezérlés, monitorozás és ellenőrzés – hatékonyság és biztonság

• 3D megjelenítés a tumor helyének pontos meghatározásáért, célzásáért (tumor targeting)

• A terápiás ultrahang nyaláb útjának vizualizációja

• MR hőmérséklet mérés (thermometria) az eredmény vizságlatára

MR hőmérsékletmérés(real time thermometry)

CalcificationToo coldToo hotTissue

AberrationTreatment

Completion

100.2[C} 57.8[C]

MRgFUS előnyei

• Nem-invazív, járóbeteg ellátásban használható

• Kiválthatja a hagyományos sebészi beavatkozásokat

• Alacsony komplikációs ráta• Alacsony költségek

• Nem mindenható!• Szövettani diagnosztika hiánya

Symptomatic in 25% of women

Up to 250,000 women in US undergo surgery each year

Uterine fibroids (leiomyomas)

Current treatment

alternatives:HysterectomyMyomectomyUterine Artery

EmbolizationTemporary drug therapyWait and see

Focused Ultrasound the future treatment of choice

SubserosalIntramural

Submucosal

Uterine fibroids clinical status

• 500 women treated around the world• 80% reported significant symptom relief• Low rate of complications • Commercially available in Europe,

Japan• PMA submitted

Clinical partners

Brigham andWomen's HospitalBoston, Massachusetts, USA

Weill Medical CollegeCornell UniversityNew York, NY, USA

St. Mary’sHospitalImperial CollegeLondon, UK

Charité HospitalHumboldt UniversityBerlin, Germany

Johns Hopkins HospitalBaltimore, Maryland, USA

Mayo ClinicRochester, Minnesota, USA

Sheba Medical CenterTel Aviv, Israel

Hadassah Medical Center,Hebrew UniversityJerusalem, Israel

Semmelweis MedicalBudapest, Hungary

Iseikai HospitalOsaka, Japan

University MRIBoca Raton, Florida, USA

Namba BreastopiaHospitalMiyazaki, Japan

Saint Luc HospitalMontreal UniversityMontreal, Quebec, Canada

Shinsuma HospitalKobe, Japan

Kérdések?