Ultrazvuk

Rozbalit box

Obsah boxu

Ultrazvuk je akustické vlnění, jehož frekvence leží nad hranicí slyšitelnosti lidského ucha, která je přibližně 20 kHz. Zatímco pro člověka je neslyšitelný, někteří živočichové, jako jsou delfíni, netopýri nebo psi, jej dokáží vnímat a využívat k orientaci a komunikaci. V moderním světě nalezl ultrazvuk široké uplatnění v mnoha oborech, od lékařské diagnostiky a terapie přes průmyslové čištění a testování materiálů až po vojenské technologie.

Nejznámější aplikací je lékařská sonografie, neinvazivní zobrazovací metoda, která umožňuje lékařům vizualizovat vnitřní orgány, cévy a sledovat vývoj plodu během těhotenství. Princip je založen na vysílání ultrazvukových vln do těla a následném zpracování jejich odrazů od různých tkání.

💡 Princip fungování

Základem většiny ultrazvukových zařízení je piezoelektrický jev, objevený v roce 1880 bratry Pierrem a Jacquesem Curiem. Tento jev popisuje schopnost některých krystalů (např. křemen) generovat elektrické napětí při mechanické deformaci a naopak – měnit svůj tvar vlivem elektrického pole.

V ultrazvukové sondě (transduceru) jsou umístěny piezoelektrické krystaly.

Vysílání: Po přivedení elektrických impulsů se krystaly rozkmitají a vyšlou do těla krátký, vysoce frekvenční zvukový puls.
Průchod a odraz: Zvuková vlna prochází tkáněmi. Na rozhraní dvou prostředí s odlišnou akustickou impedancí (např. sval a kost, nebo játra a ledviny) se část vlnění odrazí zpět k sondě, zatímco zbytek pokračuje hlouběji.
Příjem: Odražené vlny (ozvěny) dopadají zpět na krystaly v sondě, které je přemění na elektrické signály.
Zpracování obrazu: Počítač analyzuje čas, za který se ozvěna vrátila, a její intenzitu. Na základě těchto dat v reálném čase sestaví dvojrozměrný (B-mód) nebo trojrozměrný obraz sledované oblasti.

Pro různé aplikace se využívají různé frekvence. Vyšší frekvence (např. 10-18 MHz) poskytují detailnější obraz, ale mají menší průnikovou hloubku, a proto jsou vhodné pro vyšetření povrchových struktur jako štítná žláza nebo svaly. Nižší frekvence (1-5 MHz) pronikají hlouběji a používají se pro vyšetření orgánů v břišní dutině.

⏳ Historie

Ačkoliv je ultrazvuk spojován s moderní technologií, jeho kořeny sahají až do 18. století.

1794: Italský biolog Lazzaro Spallanzani jako první teoreticky popsal princip echolokace, když zjistil, že netopýři se dokáží orientovat ve tmě pomocí zvuku, nikoliv zraku.
1880: Bratři Curieové objevili piezoelektrický jev, který se stal technologickým základem pro generování i detekci ultrazvukových vln.
První světová válka: Po potopení Titanicu (1912) se zintenzivnil výzkum detekce objektů pod vodou. Francouzský fyzik Paul Langevin vyvinul první funkční sonar (ASDIC) pro detekci nepřátelských ponorek, což představovalo první praktické využití ultrazvuku.
40. léta 20. století: Rakouský neurolog Karl Dussik se jako první pokusil využít ultrazvuk v medicíně k zobrazení mozkových nádorů, což nazval hyperfonografií.
50. a 60. léta: Dochází k masivnímu rozvoji lékařské sonografie, zejména díky práci Iana Donalda ve Skotsku, který zdokonalil techniku pro využití v porodnictví a gynekologii.
70. a 80. léta: Nástup zobrazení v reálném čase (B-mód) a rozvoj Dopplerovské metody pro měření průtoku krve.
90. léta a současnost: Vývoj 3D a 4D zobrazení, miniaturizace přístrojů (přenosné ultrazvuky) a nástup terapeutických aplikací jako HIFU.

🩺 Lékařské využití

Lékařské aplikace ultrazvuku se dělí na diagnostické a terapeutické.

Diagnostický ultrazvuk (Sonografie)

Jedná se o neinvazivní, bezbolestnou a bezpečnou metodu bez použití ionizujícího záření, což ji činí ideální pro široké spektrum vyšetření.

Břišní sonografie: Vyšetření orgánů jako jsou játra, žlučník, slinivka břišní, slezina a ledviny.
Gynekologie a porodnictví: Sledování vývoje plodu, určení termínu porodu, diagnostika vývojových vad a kontrola stavu dělohy a vaječníků.
Kardiologie (Echokardiografie): Zobrazení struktury a funkce srdce, srdečních chlopní a měření průtoku krve.
Cévní vyšetření: Pomocí Dopplerova jevu se měří rychlost a směr krevního toku, což pomáhá odhalit zúžení cév, trombózy nebo aneuryzmata.
3D a 4D ultrazvuk: Moderní techniky, které umožňují vytvořit trojrozměrný statický (3D) nebo pohyblivý (4D) obraz, nejčastěji plodu v děloze. Optimální doba pro toto vyšetření je mezi 20. a 28. týdnem těhotenství.

Terapeutický ultrazvuk

Využívá ultrazvukové vlny o vyšší intenzitě k léčebným účelům.

Fyzikální terapie: Aplikace ultrazvuku na svaly a klouby pro prohřátí tkání, zmírnění bolesti a podporu hojení.
Litotrypse rázovou vlnou (ESWL): Fokusované rázové vlny se používají k neinvazivnímu drcení ledvinových a žlučových kamenů.
Vysoce intenzivní fokusovaný ultrazvuk (HIFU): Energie ultrazvuku je soustředěna do jednoho malého bodu hluboko v těle, kde dojde k prudkému zahřátí a zničení cílové tkáně (např. nádoru) bez poškození okolních struktur. Využívá se k léčbě nádorů prostaty, děložních myomů a v estetické medicíně pro neinvazivní lifting pleti.
Sonoforéza: Využití ultrazvuku ke zvýšení propustnosti kůže pro lokální aplikaci léčiv.

🏭 Průmyslové a jiné využití

Mimo medicínu má ultrazvuk klíčovou roli v mnoha dalších odvětvích.

Ultrazvukové čištění: Předměty se ponoří do kapaliny, kterou ultrazvuk rozkmitá. Tím vzniká jev zvaný kavitace – rychlý vznik a zánik milionů mikroskopických bublinek. Jejich imploze generuje tlakové vlny, které z povrchu předmětu "odstřelují" i nejjemnější nečistoty, a to i v těžko dostupných místech. Používá se v klenotnictví, elektronice, optice i v lékařství k čištění chirurgických nástrojů.
Nedestruktivní testování: Podobně jako v medicíně se ultrazvukové pulsy používají k odhalování vnitřních vad, trhlin nebo nehomogenit v materiálech (např. v kovech, svárech, kompozitech), aniž by došlo k jejich poškození.
Svařování plastů a kovů: Vysokofrekvenční vibrace generují teplo na rozhraní dvou materiálů, které se tím pevně spojí.
Zvlhčovače vzduchu: Piezoelektrická destička kmitající na ultrazvukové frekvenci vytváří z vody jemnou mlhu, která je distribuována do okolí.
Odpuzovače zvířat: Zařízení generující ultrazvuk o frekvencích nepříjemných pro hlodavce nebo hmyz.

🤔 Pro laiky: Jak si představit ultrazvuk

Představte si, že stojíte v jeskyni a křiknete. Váš hlas se odrazí od vzdálené stěny a za chvíli uslyšíte ozvěnu. Z doby, za jak dlouho se ozvěna vrátila, si dokážete odhadnout, jak daleko je stěna.

Lékařský ultrazvuk funguje na velmi podobném principu, ale místo vašeho hlasu používá speciální "píšťalku" (sondu), která píská tak vysoko, že to lidé neslyší. Tato "píšťalka" vyšle zvukový signál do těla. Zvuk se odráží od jednotlivých orgánů – trochu jinak od jater, jinak od ledvin. Sonda pak tuto "ozvěnu" poslouchá. Počítač je tak chytrý, že z tisíců těchto drobných ozvěn dokáže v reálném čase poskládat černobílý obrázek toho, co se děje uvnitř těla.

Když lékař chce vidět, jak proudí krev v cévách, zapne si "barevný režim" (Doppler). Ten funguje jako policejní radar – pozná, jestli se krev blíží k sondě (zobrazí ji třeba červeně) nebo se od ní vzdaluje (zobrazí ji modře). Je to tedy bezpečný a chytrý způsob, jak se "podívat" do těla bez jediného řezu.

⚠️ Bezpečnost a rizika

Diagnostický ultrazvuk je považován za jednu z nejbezpečnějších zobrazovacích metod. Po desetiletích používání nebyly prokázány žádné trvalé škodlivé účinky na pacienty nebo plody při standardním diagnostickém použití. Ultrazvukové vlny jsou neionizující, což znamená, že nemají dostatek energie na to, aby poškodily DNA.

Hlavní biologické účinky ultrazvuku jsou dva: 1. Tepelný účinek: Energie vln může mírně zahřívat tkáně. U diagnostických přístrojů je tento efekt zanedbatelný a bezpečný. 2. Mechanický účinek (kavitace): Tvorba a kolaps mikrobublinek v tekutinách. Tento jev je základem ultrazvukového čištění, ale při diagnostických intenzitách je jeho riziko minimální.

Navzdory vysoké bezpečnosti se odborné společnosti (jako ISUOG nebo WFUMB) shodují na principu ALARA (As Low As Reasonably Achievable), což znamená používat ultrazvuk jen po nezbytně nutnou dobu a s nejnižší možnou intenzitou pro získání diagnostické informace. Z tohoto důvodu se nedoporučují komerční "ultrazvukové večírky" pro zábavu, které mohou plod vystavit zbytečně dlouhé expozici.

Zdroje