Πώς Λειτουργεί ο Υπέρηχος και Τι Είναι ο Υπέρηχος

Πώς Λειτουργεί ο Υπέρηχος

Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις κατά τις οποίες πραγματοποιείται υπερηχογράφημα. Ίσως είστε έγκυος και ο μαιευτήρας σας θέλει να κάνετε υπερηχογράφημα για να ελέγξει το αναπτυσσόμενο έμβρυο ή να προσδιορίσει την πιθανή ημερομηνία τοκετού. Ίσως έχετε προβλήματα με την κυκλοφορία του αίματος σε ένα άκρο ή στην καρδιά σας, και ο γιατρός σας έχει ζητήσει υπερηχογράφημα Doppler για να εξετάσει τη ροή του αίματος. Ο υπέρηχος αποτελεί δημοφιλή τεχνική ιατρικής απεικόνισης εδώ και πολλά χρόνια.

Τι είναι ο Υπέρηχος;

Ο υπέρηχος ή υπερηχογραφία είναι μια τεχνική ιατρικής απεικόνισης που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας και τις ηχώ τους. Η τεχνική είναι παρόμοια με τον ηχοεντοπισμό που χρησιμοποιούν οι νυχτερίδες, οι φάλαινες και τα δελφίνια, καθώς και με το SONAR που χρησιμοποιούν τα υποβρύχια. Στον υπέρηχο, συμβαίνουν τα εξής:

Το μηχάνημα υπερήχων εκπέμπει ηχητικούς παλμούς υψηλής συχνότητας (1 έως 5 μεγαχέρτζ) στο σώμα σας χρησιμοποιώντας έναν καθετήρα (probe). 

Τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν μέσα στο σώμα σας και συναντούν ένα όριο μεταξύ ιστών (π.χ. μεταξύ υγρού και μαλακού ιστού, μαλακού ιστού και οστού). 

Μερικά από τα ηχητικά κύματα ανακλώνται πίσω στον καθετήρα, ενώ άλλα συνεχίζουν να ταξιδεύουν μέχρι να φτάσουν σε ένα άλλο όριο και να ανακλαστούν. 

Τα ανακλώμενα κύματα συλλέγονται από τον καθετήρα και μεταδίδονται στο μηχάνημα. 

Το μηχάνημα υπολογίζει την απόσταση από τον καθετήρα έως τον ιστό ή το όργανο (όρια) χρησιμοποιώντας την ταχύτητα του ήχου στον ιστό (5.005 πόδια/δευτερόλεπτο ή 1.540 μέτρα/δευτερόλεπτο) και τον χρόνο επιστροφής κάθε ηχούς (συνήθως της τάξης των εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου). 

Το μηχάνημα εμφανίζει τις αποστάσεις και τις εντάσεις των ηχών στην οθόνη, σχηματίζοντας μια δισδιάστατη εικόνα όπως αυτή που φαίνεται παρακάτω. 

Υπερηχογραφική εικόνα ενός αναπτυσσόμενου εμβρύου (περίπου 12 εβδομάδων) μέσα στη μήτρα της μητέρας. Αυτή είναι μια πλάγια όψη του μωρού, που δείχνει (από δεξιά προς αριστερά) το κεφάλι, τον λαιμό, τον κορμό και τα πόδια.

Σε ένα τυπικό υπερηχογράφημα, εκατομμύρια παλμοί και ηχώ αποστέλλονται και λαμβάνονται κάθε δευτερόλεπτο. Ο καθετήρας μπορεί να μετακινηθεί κατά μήκος της επιφάνειας του σώματος και να γείρει για να ληφθούν διάφορες όψεις.

Το μηχάνημα υπερήχων

Ένα βασικό μηχάνημα υπερήχων έχει τα ακόλουθα μέρη:

καθετήρας μετατροπέα (transducer probe) – καθετήρας που στέλνει και λαμβάνει τα ηχητικά κύματα 

κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) – υπολογιστής που εκτελεί όλους τους υπολογισμούς και περιέχει τα ηλεκτρικά τροφοδοτικά για τον εαυτό του και τον καθετήρα μετατροπέα. 

χειριστήρια παλμών μετατροπέα – αλλάζουν το πλάτος, τη συχνότητα και τη διάρκεια των παλμών που εκπέμπονται από τον καθετήρα μετατροπέα 

οθόνη – εμφανίζει την εικόνα από τα δεδομένα υπερήχου που επεξεργάζεται η CPU 

πληκτρολόγιο/δρομέας – εισάγει δεδομένα και πραγματοποιεί μετρήσεις από την οθόνη 

συσκευή αποθήκευσης δίσκου (σκληρός, δισκέτα, CD) – αποθηκεύει τις ληφθείσες εικόνες 

εκτυπωτής – εκτυπώνει την εικόνα από τα εμφανιζόμενα δεδομένα

Καθετήρας Μετατροπέα

Ο καθετήρας μετατροπέα (transducer probe) είναι το κύριο μέρος του μηχανήματος υπερήχων. Ο καθετήρας μετατροπέα παράγει τα ηχητικά κύματα και λαμβάνει τις ηχώ. Είναι, θα λέγαμε, το στόμα και τα αυτιά του μηχανήματος υπερήχων. Ο καθετήρας μετατροπέα παράγει και λαμβάνει ηχητικά κύματα χρησιμοποιώντας μια αρχή που ονομάζεται πιεζοηλεκτρικό (ηλεκτρισμός πίεσης) φαινόμενο, το οποίο ανακαλύφθηκε από τον Pierre και τον Jacques Curie το 1880. Στον καθετήρα, υπάρχει ένας ή περισσότεροι κρύσταλλοι χαλαζία που ονομάζονται πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτούς τους κρυστάλλους, αλλάζουν γρήγορα σχήμα. Οι γρήγορες αλλαγές σχήματος, ή οι δονήσεις, των κρυστάλλων παράγουν ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν προς τα έξω. Αντίστροφα, όταν ηχητικά ή κύματα πίεσης χτυπούν τους κρυστάλλους, εκπέμπουν ηλεκτρικά ρεύματα. Επομένως, οι ίδιοι κρύσταλλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποστολή και τη λήψη ηχητικών κυμάτων. Ο καθετήρας έχει επίσης μια ηχοαπορροφητική ουσία για την εξάλειψη των οπίσθιων ανακλάσεων από τον ίδιο τον καθετήρα, και έναν ακουστικό φακό για να βοηθήσει στην εστίαση των εκπεμπόμενων ηχητικών κυμάτων.

Οι καθετήρες μετατροπέα διατίθενται σε πολλά σχήματα και μεγέθη, όπως φαίνεται στη φωτογραφία παραπάνω. Το σχήμα του καθετήρα καθορίζει το οπτικό του πεδίο, και η συχνότητα των εκπεμπόμενων ηχητικών κυμάτων καθορίζει πόσο βαθιά διεισδύουν τα ηχητικά κύματα και την ανάλυση της εικόνας. Οι καθετήρες μετατροπέα μπορεί να περιέχουν ένα ή περισσότερα στοιχεία κρυστάλλου· σε καθετήρες πολλαπλών στοιχείων, κάθε κρύσταλλος έχει το δικό του κύκλωμα. Οι καθετήρες πολλαπλών στοιχείων έχουν το πλεονέκτημα ότι η υπερηχητική δέσμη μπορεί να «κατευθυνθεί» αλλάζοντας τον χρονισμό με τον οποίο παλμοδοτείται κάθε στοιχείο· η κατεύθυνση της δέσμης είναι ιδιαίτερα σημαντική για τον καρδιακό υπέρηχο (βλ. Βασικές Αρχές Υπερήχων για λεπτομέρειες σχετικά με τους μετατροπείς). Εκτός από τους καθετήρες που μπορούν να μετακινηθούν στην επιφάνεια του σώματος, ορισμένοι καθετήρες έχουν σχεδιαστεί για να εισάγονται μέσα από διάφορα ανοίγματα του σώματος (κόλπος, ορθό, οισοφάγος) ώστε να πλησιάζουν πιο κοντά στο όργανο που εξετάζεται (μήτρα, προστάτης, στομάχι)· το να πλησιάζει κανείς πιο κοντά στο όργανο μπορεί να επιτρέψει πιο λεπτομερείς εικόνες.

Τα μέρη ενός μηχανήματος υπερήχων

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU)

Η CPU είναι ο εγκέφαλος του μηχανήματος υπερήχων. Η CPU είναι βασικά ένας υπολογιστής που περιέχει τον μικροεπεξεργαστή, τη μνήμη, τους ενισχυτές και τα τροφοδοτικά για τον μικροεπεξεργαστή και τον καθετήρα μετατροπέα. Η CPU στέλνει ηλεκτρικά ρεύματα στον καθετήρα μετατροπέα για να εκπέμψει ηχητικά κύματα, και επίσης λαμβάνει τους ηλεκτρικούς παλμούς από τους καθετήρες που δημιουργήθηκαν από τις επιστρέφουσες ηχώ. Η CPU κάνει όλους τους υπολογισμούς που εμπλέκονται στην επεξεργασία των δεδομένων. Μόλις επεξεργαστούν τα ακατέργαστα δεδομένα, η CPU σχηματίζει την εικόνα στην οθόνη. Η CPU μπορεί επίσης να αποθηκεύσει τα επεξεργασμένα δεδομένα και/ή την εικόνα σε δίσκο.

Χειριστήρια Παλμών Μετατροπέα

Τα χειριστήρια παλμών μετατροπέα επιτρέπουν στον χειριστή, που ονομάζεται υπερηχογράφος, να ρυθμίζει και να αλλάζει τη συχνότητα και τη διάρκεια των παλμών υπερήχων, καθώς και τη λειτουργία σάρωσης του μηχανήματος. Οι εντολές από τον χειριστή μεταφράζονται σε μεταβαλλόμενα ηλεκτρικά ρεύματα που εφαρμόζονται στους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους στον καθετήρα μετατροπέα.

Οθόνη

Η οθόνη είναι μια οθόνη υπολογιστή που δείχνει τα επεξεργασμένα δεδομένα από την CPU. Οι οθόνες μπορεί να είναι ασπρόμαυρες ή έγχρωμες, ανάλογα με το μοντέλο του μηχανήματος υπερήχων.

Πληκτρολόγιο/Δρομέας

Τα μηχανήματα υπερήχων έχουν ενσωματωμένο πληκτρολόγιο και δρομέα, όπως ένα trackball. Αυτές οι συσκευές επιτρέπουν στον χειριστή να προσθέτει σημειώσεις στα δεδομένα και να λαμβάνει μετρήσεις από αυτά.

Αποθήκευση σε Δίσκο

Τα επεξεργασμένα δεδομένα και/ή οι εικόνες μπορούν να αποθηκευτούν σε δίσκο. Οι δίσκοι μπορεί να είναι σκληροί δίσκοι, δισκέτες, συμπαγείς δίσκοι (CD) ή ψηφιακοί δίσκοι βίντεο (DVD). Συνήθως, οι υπερηχογραφικές εξετάσεις ενός ασθενούς αποθηκεύονται σε δισκέτα και αρχειοθετούνται με τον ιατρικό φάκελο του ασθενούς.

Εκτυπωτές

Πολλά μηχανήματα υπερήχων έχουν θερμικούς εκτυπωτές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη ενός σκληρού αντιγράφου της εικόνας από την οθόνη.