Ultrazvuk

Milan Sova
3. ročník VŠEO
Ultrazvuk
Ultrazvuk za svůj vývoj urazil velikou cestu. V následujícím článku pojednávám
hlavně o jeho historii, která je nesmírně zajímavá, jak ze stránky techniky tak i jeho využití
v medicíně.
První objev ultrazvuku a jeho následné využití začíná v 19. století, kdy Lord Rayleigh
publikoval svoji práci „The Teory of Sound“ (1877). Zde poprvé popsal zvuk jako fyzikální
fenomén a z jeho prací vycházejí všechny další výzkumy z oblasti ultrazvuku. Prvním
reálným průlomem ve výzkumu ultrazvukových vln byl objev piezoelektrického efektu. Stalo
se tak v roce 1877 a stáli u něho bratři Pierre a Jacques Curriové. Zjistili že při mechanické
kompresi quartz krystalu vzniká elektrický proud. Ještě důležitější bylo zjištění, že tento
princip funguje i obráceně, tj. že při průchodu proudu se quartz krystal mechanicy
komprimuje. Quartz krystal a piezoelektrický efekt se tak staly základem ultrazvukové
technologie.
Dříve než se tato technologie mohla uplatnit v medicíně, zajímala se o ní armáda.
Využití našla zejména v SONARu (Sound Navigation and Ranging) a RADARu
(Radiodetection and Ranging). Už v roce 1916 byla potopena první německá ponorka na
základě údajů ze sonaru, který byl umístěn na britském torpédoborci. Sonar se tehdy nazýval
„hydrophone“ a pracoval na frekvenci 150 kHz. Mezi válkami zaznamenaly obě zařízení
bouřlivý vývoj. Sonar byl osazen na většině válečných lodí (jak osy, tak spojenců) a Radar byl
hojně využíván k detekci nepřátelských letadel. Britové postavili síť stanic na jejich
východním pobřeží, kde monitorovali nepřátelské vzdušné aktivity. Pokroky v miniaturizaci
umožnily montáž radarů do nočních stíhačů typu Hurricane. Ty se poté staly obávanou zbraní
proti nočním bombardérům.
Původním využitím ultrazvuku v lékařství byla jenom terapie. Hned po objevu jeho
devastujících účinků na lidskou tkáň začal být využíván v chirurgii, neurologii a onkologii.
Například s ním byly prováděny kraniotomie a terapie tumorů. Tyto operace mívaly vedlejší
účinky hlavně kvůli neschopnosti zaměřit jejich působení na jedno konkrétní místo.
1
Milan Sova
3. ročník VŠEO
ultrazvuková terapie karcinomu žlučníku
První snahy o využití ultrazvuku jako diagnostického prostředku v medicíně se datují
do 40. let, kdy byla na Massachusetts Institute of Technology vydána práce s názvem
„Principles of Radar“. V jejím závěru bylo krátké pojednání o myšlence využití ultrazvuku
jako diagnostiké metody. Po druhé světové válce byla tomuto tématu věnována větší
pozornost. George D. Ludwig z amerického Naval Medical Research Institute dlouho vedl
výzkum, jehož cílem bylo vyvinout novou diagnostickou pomůcku k diagnóze tumorů mozku.
Tento cíl se bohužel nezdařil, ale stanovil důležité veličiny, jako rychlost prostupu ultrazvuku
živou tkání (1540 m/s) a také jeho optimální frekvenci ( 1 a 2,5 MHz).
Ludwigův přístroj 1949
Všechny tehdy používané přístroje vycházely z průmyslových strojů, které byly
určeny k detekci prasklin v průmyslových materiálech. Z toho vyplývala i jejich velikost a
neohrabanost. V roce 1962 byl uveden na trh první komerční přístroj svého druhu, měl
mechanické rameno, které drželo sondu a s malými úpravami byl vyráběn až do 80. let.
2
Milan Sova
3. ročník VŠEO
Masově se ultrazvuku začalo využívat v neonatální medicíně. Za jeho úspěchem stojí
profesor Ian Donald, který působil na University of Glasgow. Dařilo se diagnostikovat
případy cyst ovárií, extrauteriní těhotenství a podobně. Spolu s kolegy zavedl metody
cefalometrie pro stanovení stáří plodu. Ve stejné době byly také položeny základy
echokardiografie, v čele byla University of Lund, kde byly upravovány průmyslové sonografy
od firmy Siemens a ty byly následně stejnou firmou vyráběny.
V 70. letech došlo k dalšímu pokroku v oblasti zobrazování, byl objeven princip „realtime scanning“. Sondy se zmenšily a bylo tak možné je používat ručně, bez složitých ramen.
V této době se objevily rotační sondy systému Combison 1000 od firmy Cretztechnik.
3
Milan Sova
3. ročník VŠEO
Ve stejné době byly také vyvinuty systémy počítačového zpracování obrazu. Hlavní
zásluhou zde má firma Intel s jejich osmibitovým procesorem, který měl 3300 tranzistorů
(moderní počítače jich mají řádově v desítkách milionů), to umožnilo postupnou miniaturizaci
přístrojů, která trvá dodnes.
Dalším pokrokem bylo zavedení Dopplerovského zobrazení, které umožnilo sledování
průtoku cévami a první pokusy o sledování regurgitace chlopní (real time color flow doppler).
80. léta se nesla ve znamení mohutného rozvoje echokardiografie. Byla vyvinuta řada
přístrojů, na čele se dlouhodobě drží firma General Electric, Toshiba a Siemens. Byly
vyvinuty postupy pro transthorakální a transesofageální echokardiografii. V roce 1986 zavedl
4
Milan Sova
3. ročník VŠEO
Greg Devore „doppler color flow mapping“. Tato metoda je dodnes využívána při diagnostice
srdečních vad plodu a jiných srdečních chlopenních vad.
Hitem poslední doby je 3-D ultrazvuk, umožňující trojrozměrné prohlížení plodu.
Úspěšná je zde zejména diagnostika vrozených vad jako je rozštěp rtů, různé malformace a
defekty.
Za posledních 60. let se z přístroje, který zabíral místnost a pacienta namáčel do vody
(kvůli lepšímu vedení zvuku), stal malý kompaktní diagnostický nástroj. Nejmenší varianty
jsou velké jako laptop. Ultrasonografem jsou dnes vybaveny všechny nemocnice a stal se
jedním ze základních vyšetřovacích přístrojů. Jak již bylo zmíněno, hitem posledních let je
„real- time 3D imaging“, který je aplikovatelný zejména na srdce a plod.
Kam se bude ultrazvuk vyvíjet, je zatím ve hvězdách. Kdybychom někomu před
padesáti lety řekli, že ultrazvukem bude vybavena každá nemocnice a jeho vyšetřením projde
za život většina populace, zřejmě by se nám zasmál a volal psychiatra.
5