Systemy ultradźwiękowe – zobacz to, co niewidzialne, za pomocą fal dźwiękowych

Nowoczesna technologia ultrasonograficzna przekształciła obrazowanie medyczne ze statycznych obrazów anatomicznych w dynamiczną ocenę czynnościową, a wszystko to bez użycia promieniowania jonizującego. W tym artykule omówiono fizykę, zastosowania kliniczne i najnowocześniejsze innowacje w diagnostyce ultrasonograficznej.

Zasady fizyczne
Ultrasonografia medyczna działa w zakresie częstotliwości 2–18 MHz. Efekt piezoelektryczny przekształca energię elektryczną w drgania mechaniczne w przetworniku. Kompensacja wzmocnienia czasowego (TGC) dostosowuje tłumienie zależne od głębokości (0,5–1 dB/cm/MHz). Rozdzielczość osiowa zależy od długości fali (λ = c/f), natomiast rozdzielczość poprzeczna od szerokości wiązki.

Oś czasu ewolucji

• 1942: Pierwsze zastosowanie medyczne Karla Dussika (obrazowanie mózgu)
• 1958: Ian Donald opracowuje ultrasonografię położniczą
• 1976: Konwertery skanujące analogowe umożliwiają obrazowanie w skali szarości
• 1983: Namekawa i Kasai wprowadzają Color Doppler
• 2012: FDA zatwierdza pierwsze urządzenia kieszonkowe

Modalności kliniczne

1. Tryb B
   Podstawowe obrazowanie w skali szarości z rozdzielczością przestrzenną do 0,1 mm
2. Techniki Dopplera

• Kolorowy Doppler: Mapowanie prędkości (granica Nyquista 0,5-2 m/s)
• Power Doppler: 3-5 razy bardziej czuły na powolny przepływ
• Doppler spektralny: określa stopień zwężenia (wskaźniki PSV >2 wskazują na zwężenie tętnicy szyjnej >50%)

3. Zaawansowane techniki

• Elastografia (sztywność wątroby >7,1 kPa wskazuje na włóknienie F2)
• Ultrasonografia ze wzmocnieniem kontrastowym (mikropęcherzyki SonoVue)
• Obrazowanie 3D/4D (Voluson E10 osiąga rozdzielczość woksela 0,3 mm)

Nowe aplikacje

• Skoncentrowane ultradźwięki (FUS)
  • Ablacja termiczna (85% 3-letnie przeżycie w przypadku drżenia samoistnego)
  • Otwarcie bariery krew-mózg w leczeniu choroby Alzheimera
• Ultrasonografia punktowa (POCUS)
  • Badanie FAST (czułość 98% w przypadku krwiaka otrzewnej)
  • Linie B w badaniu USG płuc (93% dokładności w przypadku obrzęku płuc)

Granice innowacji

1. Technologia CMUT
   Pojemnościowe, mikroobrabiane przetworniki ultradźwiękowe umożliwiają uzyskanie bardzo szerokiego pasma (3–18 MHz) z 40% ułamkiem pasma.
2. Integracja AI

• Samsung S-Shearwave zapewnia pomiary elastograficzne wspomagane sztuczną inteligencją
• Automatyczne obliczenia EF wykazują korelację 0,92 z obrazem MRI serca

3. Rewolucja przenośna
   Butterfly iQ+ wykorzystuje 9000 elementów MEMS w konstrukcji jednoprocesorowej, ważącej zaledwie 205 g.
4. Zastosowania terapeutyczne
   Histotrypsja to nieinwazyjna ablacja guzów za pomocą kawitacji akustycznej (badania kliniczne w raku wątroby).

Wyzwania techniczne

• Korekcja aberracji fazowej u pacjentów otyłych
• Ograniczona głębokość penetracji (15 cm przy 3 MHz)
• Algorytmy redukcji szumu plamkowego
• Przeszkody regulacyjne dla systemów diagnostycznych opartych na sztucznej inteligencji

Globalny rynek ultrasonografii (8,5 mld dolarów w 2023 roku) jest kształtowany przez systemy przenośne, które obecnie odpowiadają za 35% sprzedaży. Dzięki nowym technologiom, takim jak obrazowanie o superrozdzielczości (wizualizacja naczyń o średnicy 50 μm) i techniki renderowania neuronowego, ultrasonografia wciąż wyznacza nowe granice diagnostyki nieinwazyjnej.