Jak działa USG – zasady i mechanizmy technologii

Ultrasonografia to dziś jedna z najważniejszych metod diagnostyki obrazowej, łącząca szybkość, bezpieczeństwo i dokładność. Obrazowanie z wykorzystaniem dźwięków o ponadludzkiej częstotliwości rozwinęło się z techniki wojskowej. Początki medycznej technologii USG sięgają lat 40, a prawdziwy rozwój nastąpił w latach 50 XX wieku! Tym artykułem przybliżymy Ci jak działa USG, ale odpowiemy też na jedno z częstszych pytań w Google – Czy USG jest szkodliwe (spoiler alert, jest bardzo bezpieczne!)

Badanie ultrasonograficzne – co to jest?

Badanie ultrasonograficzne, co to jest takiego? W kontekście medycyny najprostszą definicją badania USG będzie: „Obrazowe badanie tkanek i przepływów w ciele pacjenta z użyciem ultradźwięków”. Jest to zajrzenie w głąb ciała pacjenta przy pomocy bezpiecznej, nieinwazyjnej, nieszkodliwej metody obrazowania przy pomocy ultradźwięków – fal USG. Na czym polega USG? Jak działa USG? Ten artykuł ma na celu przybliżenie tego tematu.

Co można zbadać dzięki USG?

Dzięki USG lekarz jest w stanie „zobaczyć” niemal każdy zakątek ciała. Dzięki ultrasonografii nie tylko zobaczymy dokładne przekroje narządów z submilimetrowymi szczegółami, przepływy płynów ustrojowych (nawet tych najwolniejszych), ale również możemy zbadać „twardość palpacyjną” tkanek, a nawet, używając kontrastu, możemy zbadać niektóre rodzaje nowotworów, równie dobrze, co za pomocą tomografu komputerowego CT. 

Jak działa USG?

Badanie przezskórne polega na przesuwaniu czoła głowicy po ciele pacjenta z użyciem żelu kontaktowego. W każdym miejscu głowica rozsyła impulsy ultradźwiękowe i zbiera sygnały echa, z których superczułe układy wejściowe jednostki centralnej tworzą obrazy reprezentujące przekrój ciała pacjenta na wprost czoła głowicy. Obrazy tworzone są w czasie rzeczywistym i pokazują rozłożenie różnych tkanek i płynów w ciele jako czarno-białych obszarów. Obszary te mają różne właściwości fizyczne. Najważniejszymi parametrami wizualizowanymi są: impedancja akustyczna, tłumienie fali ultradźwiękowej, odbicia od powietrza i tkanek kostnych, rewerberencje w pęcherzu moczowym, czy we większych naczyniach oraz artefakty wynikające z fizyki zjawiska oraz z zastosowanych technologii. Na tle czarno-białych obszarów tkanek można uwidocznić kolorowe, linijne pasma obrazujące przepływającą krew w żyłach i w tętnicach. Obrazy są żywe i szybkie. Możemy nagrywać nawet filmy do kilkuset klatek na sekundę i potem je analizować klatka po klatce. Proste badania USG trwają na ogół nie dłużej niż 7-10 minut.

USG jak działa – jeszcze dokładniejszy opis

Podczas badania elektronika ultrasonografu wysyła do poszczególnych elementów drabinki przetworników impulsy elektryczne, które w przetworniku zamieniane są na rozchodzącą się w ciele pacjenta falę ultradźwiękową. Jednocześnie mogą być pobudzane nawet wszystkie przetworniki głowicy, które równoczasowo emitują skomplikowaną siatkę fal o kontrolowanej fazie i o kontrolowanej obwiedni czoła tych fal. Następnie czoło obwiedni fal napotyka na swej drodze granice poszczególnych tkanek, różniących się nieznacznie parametrami akustycznymi, co w efekcie prowadzi do odbić, załamań i lokalnych wytłumień czoła fali nadawanej. Po wysłaniu całej sekwencji impulsów nadawczych przetworniki przestawiane są na “nasłuch” – stają się mikrofonami czułymi na echa ultradźwięków powracających z ciała pacjenta. Elektronika ultrasonografu wzmacnia o dziesiątki milionów razy sygnały tych ech oraz, poprzez badanie przesunięć czasowych pomiędzy powrotami ech do poszczególnych piezokryształów, rozpoznaje kierunki, skąd te echa wracają i wizualizuje je na czarno-białym ekranie aparatu USG. Miejsce, skąd wrócił relatywnie silny sygnał odbity, ma postać jasnego punktu, a gdy echo wróciło słabe – ciemnego. Tworzy to charakterystyczny obraz wnętrza ciała pacjenta. Niewielkie różnice impedancji akustycznej tkanek są różnicowane tak wyraźnie i kontrastowo, że jednoznacznie można odróżnić ciemny kolor płynów takich jak krew od jasnych ścianek naczyń.

Z czego składa się aparat USG?

Aparaty USG składają się z paru części, wszystkie są równie ważne i kluczowe dla precyzyjnego obrazowania.

Największą gabarytowo częścią jest jednostka centralna, lub inaczej jednostka ultrasonograficzna. Współcześnie jest to komputer, który ma zaawansowaną moc obliczeniową i dokładność renderowania z monitorem, który umożliwia lekarzowi odczyt i interpretację obrazu.

Poza jednostką centralną ultrasonograf składa się jeszcze z głowic ultradźwiękowych – conveksowej, objętościowej, liniowej, endowaginalnej, sektorowej, microconveksowej. Obecnie mamy już tylko siedem najpowszechniejszych rodzajów głowic, jeśli przez chwilę zapomnimy o głowicach przezprzełykowych, śródoperacyjnych, głowicach z kanałem biopsyjnym lub z nasadką biopsyjną, intraoralnych, dwupłaszczyznowych głowicach transrektalnych, objętościowych głowicach liniowych, głowicach „ślepego Dopplera”, endo-głowicach do przewodu pokarmowego czy sondach wewnątrznaczyniowych oraz głowicach matrycowych, których omówienie wykracza poza ramy tego artykułu. Na budowę głowicy składa się: kabel, głowica i wtyczka mocowana do apatu USG.

Warto również pamiętać o bardzo ważnej części aparatu USG jakim jest jego oprogramowanie. Tak jak z komputerowym, czy smartfonowym, je też należy regularnie aktualizować.

Przebieg badania USG

Na ogół badanie USG odbywa się w pracowni na leżance, lub na sali szpitalnej na łóżku pacjenta, czy w warunkach Oddziału Intensywnej Opieki Medycznej. Sala na ogół jest zaciemniona, co pomaga lekarzowi dojrzeć szczegóły na monitorze. Samo badanie przezskórne to powolne przesuwanie czoła sondy z żelem kontaktowym po odsłoniętym ciele pacjenta. Lekarz na monitorze, w czasie rzeczywistym ogląda obrazy „wnętrza pacjenta” utworzone dzięki impulsom i sygnałom ultradźwiękowym. Lekarz jest w stanie zatrzymywać obraz, dokonywać pomiarów, nagrywać film z badania, drukować „zdjęcie USG” na specjalnym papierze. Po badaniu pacjent wyciera się z żelu za pomocą otrzymanych ręczników papierowych a lekarz delikatnie usuwa żel z powierzchni głowicy a w niektórych sytuacjach nawet ją sterylizuje. Podczas badań endowaginalnych głowicę osłania się sterylną, jednorazową osłonką.

Dlaczego do badania USG stosuje się żel?

USG, jak działa w skrócie? Sonda USG emituje ultradźwięki, następnie odbijają się one od tkanek i wracają do głowicy, co pozwala aparatowi USG stworzyć obraz na monitorze. W związku z tym w trakcie badania, pomiędzy ciało pacjenta a powierzchnię głowicy, wprowadza się bezbarwny, bezwonny i przezroczysty żel do USG, aby nawet najcieńsza warstewka powietrza nie blokowała przechodzenia fali ultradźwiękowej do głowicy i z głowicy. Żel przed badaniami dzieci ogrzewa się wstępnie, aby nie był nieprzyjemnie zimny. Żel ten jest bardzo bezpieczny dla pacjenta.

Czy badanie USG jest szkodliwe?

Badanie ultrasonograficzne jest całkowicie pozbawione ryzyka jakiejkolwiek szkodliwości dla pacjenta. Unika się oczywiście długotrwałego badania przepływów u płodu, ze względu jednak głównie na ostrożność, a nie na jakiekolwiek doniesienia o szkodliwości ultrasonografii w położnictwie.

Mniej doświadczeni pacjenci czasami mylą badanie USG z badaniem rentgenowskim (RTG) i na wstępie pytają, czy USG jest szkodliwe dla organizmu. Dlatego warto zozumieć, chociaż po części, na czym polega USG (a na czym badanie RTG), żeby się nie stresować, ani nie martwić, kiedy lekarz daje skierowanie na takie badanie. Badanie USG można wykonywać tak często, jak należy, może uspokoić również zauważenie, że sam lekarz ultrasonografista nie ma na sobie odzieży innej niż typowa i wykonuje takich badań dziennie setki. A więc jeszcze raz, czy USG jest szkodliwe dla organizmu? Absolutnie nie, badanie USG jest zupełnie bezpieczne, a wręcz należy je wykonywać rutynowo, profilaktycznie.

Podsumowanie

Ultrasonografia to niezwykle wszechstronna i bezpieczna technologia diagnostyczna, wykorzystująca fale ultradźwiękowe do obrazowania wnętrza ciała. Zrozumienie zasady działania USG nie tylko rozwiewa obawy pacjentów, ale również umożliwia docenienie precyzji i roli tej technologii we współczesnej medycynie.

Bibliografia:

• Ping Li, Desheng Sun, Diagnostic imaging of sentinel lymph node in early stage breast cancer, Journal of Clinical Ultrasound published by Wiley Periodicals LLC
• Redakcja naukowa J. Baron, J. Pilch-Kowalczyk; Podstawy badania ultrasonograficznego, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Katowice 2021
• V. Bachu, J. Kedda, I. Suk, J. J. Green B. Tyler; High-Intensity Focused Ultrasound: A Review of Mechanisms and Clinical Applications, Ann Biomed Eng. 2021