-1-
Ultrasonografie
1. Fyzikální princip
Ultrazvuk je akustické vlnění stejné fyzikální podstaty, jako je zvuk, jehož frekvence leží nad hranicí
slyšitelnosti lidského ucha (nad 20kHz). Pro lékařské aplikace je vhodné frekvenční pásmo 2 až 30 MHz.
Zdrojem UZ vlnění jsou destičky z vhodného materiálu (např.: křemene). Tyto destičky se vlivem
periodického nabíjení el. proudem smršťují a rozpínají (deformují) čímž vzniká mechanické vlnění
(piezoelektrický jev). Ultrazvukové vlny procházejí tělem a odrážejí se od jednotlivých orgánů, resp. od
přechodů mezi tkáněmi s různou akustickou impedanci (prostupnost ultrazvuku prostředím). Užití
ultrasonografie je limitováno fyzikálními parametry tkání – nelze vyšetřovat porézní tkáně (plíce, kosti),
které velmi dobře tlumí UZ vlny a vytváří akustický stín.
Rychlost šíření
UZ signál je přímo vázán na prostředí ve kterém se šíří. Rychlost šíření UZ vlnění je dána obsahem vody ve
tkáních. V homogenním prostředí se šíří konstantní rychlostí, která závisí na fyzikálních vlastnostech a
teplotě prostředí. Šíření je podélné (kmitání částic paralelně se směrem šíření vlny) příčné (kmitání částic
kolmo ke směru šíření vlny)a objemové. V měkkých tkáních se šíří zejména podélné vlny, příčné vlny se šíří
zejména v kostech.
Šíření v: Pevných látkách: V pevných látkách se ultrazvukové vlny šíří rychleji, protože látka má vysokou
hustotu a větší soudržnost. Pevné látky mají však větší odpor, tudíž je omezen
dosah šíření UZ vln.
Kapalinách: Živá tkáň se svými vlastnostmi se více blíží kapalině, a proto se v ní šíří pouze
podélné ultrazvukové vlny. Kapaliny jsou nejvodivějším prostředím. Hustota,
elasticita a soudržnost elementárních částic je větší.
Plynech: V plynech je tomu naopak oproti pevným látkám. Rychlost šíření UZ vln je malá,
protože soudržnost a hustota prostředí je malá.
-2Akustická
impedance (vlnový odpor)
Každé prostředí klade UZ vlnám různý odpor, což má vliv na chování ultrazvukových vln na rozhraní dvou
prostředí. V případe, že UZ vlny kolmo dopadají na rozhraní dvou prostředí s různou akustickou impedancí
je část vlny odražena a část přechází do jiného prostředí. Při šikmém dopadu vlnění nastává odraz a lom. V
případě že jedna látka je pevná (kost) nastane transformace podélného vlnění na příčné. K minimalizování
ztrát přenosu energie a vyrovnání nerovností je zapotřebí použití speciálních ultrasonografických gelů. Bez
použití ultrasonografických gelů by nebylo možné kvalitní zobrazení dutiny břišní, protože je zde velké
množství vzduchu ve střevě a tuku v mesogastriu (rozhraní plyn/tuk odrazí 98% UZ energie, kost/tuk odrazí
50% UZ energie).
UZ obraz vzniká na základě těchto předpokladů (v naprosto ideálním případě):
 rychlost šíření UZ je ve všech tkáních stejná
 UZ impulz se šíří přímočaře a odráží se jen jednou
 všechny odrazy se odehrávají v centrální části UZ pole
 vzdálenost a zesílení vracejícího se echa závisí na době jeho návratu
Ve skutečnosti tyto předpoklady nejsou zcela 100% splněny. -> vznik artefaktů
Vznik a příjem UZ vlnění
V sondě se nachází polykrystalický měnič. Ten je rozkmitán
pomocí vysokofrekvenčního napětí a vznikne ultrazvukové vlnění.
Piezoelektrický jev je schopnost krystalu generovat el.napětí při
jeho deformaci.
Nepřímý piezoelektrický jev (elektrostrikce) je změna tvaru
krystalu vlivem vnějšího elektrického pole. Generátorem UZ vln
je elektricky buzený piezoelektrický měnič.
-3-
2. Artefakty
Reverberace – je komplexem stejně vzdálených ech, jejichž jas do hloubky klesá. Reverberační echa jsou
závislá na úhlu dopadu a na akustickém výkonu přístroje.
Akustický stín - veškerá energie dopadajícího signálu nebo alespoň její podstatná část je danou strukturou
odražena nebo absorbována. Oblast ležící v akustickém stínu nelze echograficky posoudit.
Akustický stín je průkazem konkrementu, kalcifikace nebo silně absorbující infiltrace,
nejčastěji nádorové.
Dorzální akustické zesílení – je zesílení odrazivosti docházející za strukturami s malým útlumem, jako jsou
např. cystické útvary. Ultrazvukový signál, který prochází málo tlumivým
tekutým obsahem cysty má větší energii než stejný signál procházející okolní
tkání o větším útlumu.
Zrcadlení – vzniká u silně odrazivé struktury plošného charakteru (např. Bránice). Zrcadlový obraz však
bývá téměř vždy slabší a někdy i méně ostrý.
3. Módy zobrazení
A mód (amplituda)
je jednorozměrné zaznamenávání amplitudy (výchylky) elektrických signálů vzniklých na přijímacím měniči
po příjmu UZ odrazů z jednotlivých rozhraní tkáně. Výstupem vyšetření je křivka zobrazující závislost
korigované intenzity odraženého signálu na čase uplynulém od vyslání signálu. Poloha výchylek odpovídá
místu odrazu ultrazvuku, a velikost amplitudy odpovídá množství odražené akustické energie. Tento mód
umožňuje přesné měření vzdáleností. Uplatňuje se např.: v oftalmologii nebo otorinolaryngologii.
B mód (brightness mode)
je 2D obraz tkáně v podobě bodů (pixelů) o různém stupni jasu. Každý bod má jas odpovídající amplitudě od
něj odraženého echa a jeho poloha odpovídá poloze odrážející struktury. Jas se typicky kóduje škálou šedosti
o 256 odstínech, příp. barevnou škálou. Zobrazení může být statické nebo dynamické a 2D nebo 3D. 3D
zobrazení se získá počítačovou rekonstrukcí ze série 2D obrazů nebo pomocí tzv. 3D sond.
M mód (motion mode)
je způsob jednorozměrného zobrazení umožňující zachycení pohybujících se struktur, nejčastěji srdce.
Výsledkem je soubor křivek zaznamenávajících pohyb nejčastěji srdečních chlopní.
3D mód
Tuto techniku nejčastěji používáme v porodnictví, ale také např. v ortopedii. Trojrozměrný obraz vzniká
počítačovou rekonstrukcí z řady za sebou ležících dvojrozměrných řezů.
Aby bylo možné 3D rekonstrukce provádět, je nutné mít informace o poloze všech vyšetřovaných vrstev:
 použitím zařízení s řízeným posunem sondy nad sledovanou oblastí (dnes se již nepoužívá)
 použití běžné sondy doplněné o snímač polohy
-4
použití jednorozměrné řady s úhlovým vychylováním (manuálním, mechanickým nebo
elektronickým),
 použití dvojrozměrné řady (matice) měničů – snímaní je velmi rychlé, lze získat data v reálném čase
(real-time sonografie nebo 4D sonografie)
Stupeň jasu odrazového bodu určuje echogenitu:
 Hyperechogenní – jsou tkáně, které silně odrážení UZ vlny. Zobrazují se jako světlé až bílé pixely
(játra se steatózou, fibrózou nebo cirhózou, obsah abscesu…).
 Hypoechogenní – jsou tkáně, které slabě odrážejí UZ vlny. Zobrazují se tmavými šedými pixely
(homogenní tkáně - slezina, pankreas…).
 Anechogenní – jsou tkáně, které neodrážejí ultrazvuk. Jsou zobrazeny jako černé pixely (tekutiny).
 Izoechogenní – struktury se stejnou echogenitou.
 Hyperechogenní s akustickým stínem - je kost, kalcifikace či kámen.
Echogenitu lze zvýšit pomocí kontrastní látky v podobě mikrobublin, které se vpravují intravenózně do těla
pacienta.
4. Sondy
Zdrojem ultrazvuku je piezoelektrický krystal, který působením střídavého proudu deformuje svůj tvar.
Intenzita odrazu nás informuje o velikosti rozdílu rozhraní tkání a čas od vyslání k návratu o vzdálenosti
rozhraní od zdroje. Piezoelektrické krystaly v ultrazvukových sondách pracují střídavě jako vysílač (asi 99,5
% provozní doby) a přijímač (asi 0,5 %) ultrazvuku.
Sondy dělíme do dvou skupin: sondy s lineární geometrii
sondy se sektorovou geometrii
Lineární
Sonda je tvořena řadou 64 až 128 lineárně uspořádaných piezoelektrických krystalů. Měniče jsou buzeny
současně. UZ paprsky se šíří navzájem paralelně a vytvářejí pravoúhlý obraz. Lineární sonda používá
frekvence cca od 5 do 15 MHz a požívá se pro diagnostiku měkkých tkání a štítné žlázy.
Sektorové
Elektronické sektorové sondy jsou tvořeny více měniči. Vhodným časovým řízením buzení lze vytvořit
ultrazvukové pole o úhlu typicky 80° a 90°. Produkují sektorový obraz (tvar vějíře). Sondami lze snímat z
velmi malé plochy (tzv. akustického okna), což je důležité např. při vyšetření srdce nebo jater z
mezižeberních prostor. Frekvence sektorové sondy je asi 2 až 3 MHz.
Konvexní
Uspořádání měničů odpovídá uspořádání v lineární sondě, konvexní tvar plochy s měniči poskytuje obraz ve
tvaru výseče mezikruží, což odpovídá sektorovému záběru. Výsledný tvar obrazu je kombinací pravoúhlého i
sektorového zobrazení. Ultrazvukové pole má většinou úhel mezi 60 a 90°. Frekvence konvexní sondy je asi
2,5 až 5 MHz.
Speciální
Používají se při speciálních vyšetřeních.
Endoskopické sondy (zavádějí se do těla): intravaskulární sondy, |rektální sondy, vaginální sondy,
esofageální sondy
3D sondy: vhodné pro 3D a 4D objemové zobrazení
-5-
5. Dopplerův princip
Dopplerův jev popisuje změnu frekvence a vlnové délky přijímaného (odraženy signál od pohybujících se
objektů) oproti vysílanému signálu. Ze změny frekvence vlnění lze určit rychlost a směr pohybu objektu.
Přibližuje-li se zdroj zvukového vlnění, vnímá pozorovatel vyšší kmitočet, vzdaluje-li se zdroj, vnímá
kmitočet nižší. Ke stejnému jevu dochází i v případě, že zdroj vlnění svoji polohu nemění a pohybuje se
reflektor, na němž se akustické vlnění odráží.
V Klasická sonografie umožňuje získat obraz statických tkání. Využitím Dopplerova jevu lze získat
informaci o rychlostech pohybu tkání, zejména krve. Základními odrazovými strukturami v proudící krvi
jsou erytrocyty.
Obecně lze dopplerovské měření provádět ve dvou módech:
C W (continuouswave) – vysílající měnič stále vysílá UZ,
PW (pulsedwave) - vysílající měnič vysílá UZ v pulzech.
CW mód (s kontinuální nosnou vlnou) je jednodušší na technické řešení, dává však informaci pouze o
průměrné rychlosti podél ultrazvukového paprsku. Nelze určit hloubka, ze které signál přichází. Sonda
obsahuje dva elektroakustické měniče (krystaly). Jeho současné využití je obvykle v tužkových
průtokoměrech sloužících zejména k měření krevního tlaku na dolních končetinách a k orientačnímu
hodnocení cévního řečiště.
PW mód (pulzní Doppler) umožňuje měřit navíc změnu frekvence mezi vysílaným a přijímaným signálem,
ale i dobu, za jakou se odražený signál vrátí k sondě. To umožňuje určit nejen rychlost toku, ale i hloubku,
-6ve
které došlo k odrazu. Sonda má jeden elektroakustický měnič, který střídavě UZ vlnění vysílá a příjmá
(sonda pracuje v pulzním režimu).
Výsledek se zobrazuje jako dvojrozměrný obraz naměřených rychlostí.
Výsledky se obvykle kódují barevně (barevně kódovaná dopplerovská sonografie) - čím vyšší je v daném
bodě rychlost k sondě, tím jasnější odstín červené je zobrazen v odpovídajícím místě na monitoru, a čím je
větší rychlost od sondy, tím je zobrazen jasnější odstín modré. Je to kombinace B módu a pulzního
Doppleru.
Spektrální záznam je časový průběh rychlosti podél jediné vertikální obrazové linie. Umožňuje
semikvantitativní analýzu krevního toku
Duplexní zobrazení je kombinace dvojrozměrného dynamického zobrazení (B-mode) a pulsního
dopplerovského měření. B mód poskytuje informace o morfologii zájmové oblasti a pulzní dopplerovský
modul umožňuje záznam rychlostního spektra toku krve v dané cévě.
Triplexní zobrazení je kombinace B zobrazení se spektrální křivkou a barevným Dopplerem.
6. Biologické účinky
Kavitace: děj kdy v prozvučeném prostředí vznikají mikrobubliny plynu. Tyto bubliny ihned kolabují v
důsledku rychlých změn tlaku v ultrazvukovém poli. Vzniká při vysokých akustických rychlostech
a tím i vysoké energii.
Mechanický efekt: je způsoben tlakovými vlnami, které vyvolávají mechanický nebo fyzikální pohyb tkání a
jejich komponent (tekutina, buňky). V důsledku tlakových vln komponenty tkání
oscilují.(např.: litotrypse – ultrazvukové drcení močových kamenů)
mechanický index – MI: vyjadřuje stupeň nebezpečí poškození tkáně kavitací, závisí na
frekvenci a energii vysílaného
Tepelný efekt: vzniká dlouhodobým vystavením tkání UZ vlnění – dochází tak k zahřívání tkání a vysokému
riziku poškození v důsledku zahřívání,
tepelný index tepelný index – TI: poměr aktuálně nastaveného celkového výkonu k hodnotě
energie, která by zvýšila teplotu tkáně o 1°C energii vysílaného ultrazvuku
Bezpečné jsou tedy expozice, které nezvýší teplotu tkáně o více než 1°C nad fyziologickou úroveň.
Vysokému riziku poškození vznikajícím teplem je vystaven například plod ve stádiu formace kostí.
Nastavení prvků ovlivňujících výkon přístroje musí být co nejnižší pro dosažení adekvátní diagnostické
informace v nejkratší možné době – princip ALARA.
7. Konstrukce přístrojů
Generátory el. impulzů - přeměňují el. energii ze sítě na energii el. impulzů, které slouží k buzení
piezoelektrických měničů
Hardware a software pro zpracování signálů - slouží ke zpracování a zaznamenání signálů a jejich zobrazení.
Důležité jsou systémy pro okamžité zmrazení (freeze) obrazu, dynamickou
fokusaci sondy a algoritmy pro manipulaci s obrazem, výpočty, měření…
Zobrazovací jednotky - obrazovka čí displej pro zobrazení výsledků
Záznamově jednotky - umožňují zhotovení trvalých záznamů vyšetření (tiskárny a paměťová media).
-7-
8. Typy ultrasonografických přístrojů
 kardiologické
 porodnické
 multioborové
 urgentní
 mobilní
Autor textu: Ing. Mariana Kleinová, RA - KRNM FN Brno
Doporučená a použitá literatura:
1. SEIDL, Zdeněk. Radiologie pro studium i praxi. Praha: Grada, 2012. ISBN ISBN978-80-
247-4108-
2. ZUNA, Ivan a Lubomír POUŠEK. Úvod do zobrazovacích metod v lékařské diagnostice. Praha:
Vydavatelství ČVUT, 2000. ISBN 80-010-2152-1.
3. CHMELOVÁ, Jana a Lubomír POUŠEK. Základy ultrasonografie pro radiologické asistenty.
Ostrava: Ostravská univerzita, Zdravotně sociální fakulta, 2006. ISBN 80-736-8221-4.
4. HRAZDIRA, Ivo. Biofyzikální základy ultrasonografie: jak pracovat s ultrazvukovým diagnostickým
přístrojem : praktická příručka s teoretickým úvodem pro stáž připravenou v rámci projektu:
"Prohloubení odborné spolupráce a propojení ústavů lékařské biofyziky na lékařských fakultách v
České republice". Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, 2011. ISBN 978-80-244-2895-6.
Zdroje obrázků:
1. TOKAR, Daniel. Ultrazvuk: Fyzikální principy, využití v medicíně a terapii [online]. In: . České
vysoké učení technické v Praze [cit. 2020-10-30]. Dostupné z:
http://aldebaran.feld.cvut.cz/vyuka/fpt/prednasky/05_FPT_Ultrazvuk.pdf
2. Ultrasonografie – co to je a jak funguje? In: Rehabilitace.info [online]. [cit. 2020-10-30]. Dostupné
z: https://www.rehabilitace.info/zdravotni-zarizeni/ultrasonografie-co-to-je-a-jak-funguje/
3. Ultrazvuková diagnostika: Biofyzikální ústav LF MU, Projekt FRVŠ 911/2013 [online]. In: . 2013
[cit. 2020-10-30]. Dostupné z:
http://www.med.muni.cz/biofyz/files/vlzl/lectures/UltrazvukovaDiagnostika.ppt.
4. Jak se měří rychlost toku krve v cévách? [online]. In: . [cit. 2020-10-30]. Dostupné z:
http://old.lf.upol.cz/fileadmin/user_upload/LF-
kliniky/hippokrat/Pracoviste/Biofyzika/03_Jak_se_meri_rychlost_toku_krve_v_cevach.pdf
5. Přenosné refabrikované ultrazvukové přístroje. In: Elektronic medical service s.r.o. [online]. [cit.
2020-10-29]. Dostupné z: https://www.ultrazvuky.cz/zbozi/30/refabrikovane-prenosne-pristroje/