Ultrazvuk v různých prostředích a tkáních

Ultrazvuk, generovaný pomocí magnetostrikčních, častěji piezoelektrických generátorů, se šíří látkovým prostředím jako vlna střídavého zahušťování a ředění molekul. V měkkých tkáních a tekutinách lidského těla formou vlnění podélného, v kostech též formou vlnění příčného.

Rychlost šíření ultrazvukových vln závisí na elasticitě K a hustotě ρ prostředí dle vzorce:

$v={\sqrt {{\frac {K}{\rho }}\ }}$

Vyšší hustota látky sice snižuje rychlost šíření zvuku, zároveň ale látky s vyšší hustotou obvykle mívají vyšší elasticitu. Proto se ultrazvuk nejrychleji šíří v pevných látkách (např. kostech) a nejpomaleji v plynech (vzduch). V kapalinách a materiálech s vysokým obsahem vody (např. měkké tkáně) se průměrně šíří rychlostí 1540 m/s.

Akustická impedance

Na hustotě prostředí a rychlosti šíření ultrazvuku je závislá akustická impedance, veličina popisující vztah ultrazvuku a prostředí. Je dána vztahem:

$Z={\frac {p_{e}f}{v_{e}f}}\ =c.\rho$

Kde:

• Z = akustická impedance;
• p_ef = akustický tlak;
• v_ef = akustická rychlost;
• ρ = hustota prostředí;
• c = rychlost šíření ultrazvuku prostředím.

Prostředí klade jakýsi odpor ultrazvukovému vlnění a brání vzniku zón zvýšeného a sníženého tlaku (zhušťování a ředění molekul). Ze vzorce tedy lze vyčíst, že vysokou impedanci mají pevné látky s vysokou hustotou a rychlostí šíření ultrazvuku.

Hodnoty akustické impedance a rychlosti ultrazvuku pro vybrané tkáně a prostředí

Tkáň	Akustická impedance Z [106 kg · m-2 · s-1]	Rychlost [m · s-1]
krev	1,62	1580
kost	3,75–7,38	3360
mozek	1,55–1,66	1538
játra	1,64	1570
sval	1,65–1,74	1568
voda	1,5	1500
vzduch	0,0004	340

Ultrazvuk na tkáňovém rozhraní

Při průchodu tělem ultrazvuková vlna naráží na různá tkáňová rozhraní, přičemž různé tkáně mají různou akustickou impedanci a echogenitu – schopnost odrážet ultrazvukové vlny. Na tkáňovém rozhraní dochází k částečnému odrazu vlny (echo, ozvěna), část prochází dál k dalšímu tkáňovému rozhraní. Čím větší je rozdíl akustických impedancí a echogenit sousedních tkání, tím větší je odraz vlny. Poměr mezi intenzitou odražené vlny a intenzitou vlny dopadající na rozhraní je dán vztahem:

$R=\left({\frac {z_{1}-z_{2}}{z_{1}+z_{2}}}\right)^{2}$

Kde:

• R = poměr intenzit odražené vlny ku vlně dopadající;
• Z₁ = akustická impedance prostředí 1;
• Z₂ = akustická impedance prostředí 2.

Je-li akustická impedance prostředí 1 a 2:

1. Z₁ = Z₂, R = 0, nedochází k odrazům na rozhraní prostředí. Jedná se o homogenní prostředí.
2. Z₁ ≠ Z₂, dochází k částečnému odrazu.

• R → 0 – měkké tkáně s podobnou impedancí;
• R → 1 – tkáně s vyšším rozdílem impedance, např. měkká tkáň – kost, měkká tkáň – vzduch.

Z tohoto poměru se dá vypočítat také poměr intenzit procházející ultrazvukové vlny ku vlně dopadající:

$T=1-R$

Na tomto principu je založena metoda vyšetřování ultrazvukem v lékařství. Při vyšetření ultrazvukem je však nežádoucí, aby vlny procházely vzduchovou vrstvou mezi ultrazvukovou sondou a povrchem těla (rozdíl mezi impedancí vzduchu a měkké tkáně je značný a docházelo by na tomto rozhraní k velkým odrazům). Proto je nutno nanést na povrch těla gel a tím zajistit impedanční přizpůsobení.

Část akustické energie, která je pohlcena, se přeměňuje na teplo (uspořádaný pohyb molekul se mění v neuspořádaný tepelný pohyb).

Ultrazvuk v lidských tkáních

Tepelné účinky

Při průchodu živou tkání ultrazvuk způsobuje v důsledku absorpce energie zahřívání tkáně. Děje se tak především na tkáňovém rozhraní, ale i při průchodu homogenní tkání. Míra absorpce je závislá na frekvenci ultrazvuku. S rostoucí frekvencí se zvyšuje absorpce a disperze v tkáních a klesá pronikavost ultrazvuku. Pro vyšetření hlouběji uložených tkání je tedy nutné použít ultrazvuk o nižší frekvenci (s menší pravděpodobností odklonu vln při průchodu blíže uložených oblastí) s menší rozlišovací schopností.

• u dospělého pacienta je pro vyšetření povrchových tkání vhodná sonda s frekvencí 5 MHz, hlouběji uložených tkání s frekvencí 3,5 MHz.

Absorpce ultrazvuku probíhá v hlouběji uložených tkáních, které většinou neobsahují termoreceptory. Proto nedochází k subjektivnímu vnímání lokálního vzestupu teploty.

Mechanické účinky

Vlivem zhušťování a zřeďování prostředí dochází k rychlým tlakovým změnám při kmitání molekul, což může vést k mechanickému poškození struktur např. vlivem kavitace. Při tomto fyzikálním jevu vznikají v proudících kapalinách nebo v místech kapalin s rychlými tlakovými změnami vakuové dutinky, které svým zánikem mohou poškodit buněčné struktury.

Fyzikálně chemické účinky

Účinkem ultrazvuku může dojít např. k excitaci molekul a urychlení chemických reakcí, prokrvení tkání nebo látkové výměny.

Ultrazvuk je výbornou metodou pro zobrazení měkkých tkání, avšak nevhodnou pro vyšetření plic a kostí.

Odkazy

Externí odkazy

• https://vysetreni.vitalion.cz/ultrazvuk/
• http://ftplf2.agarek.com/fyzio/prvak/biofyzika/semin/tercaza_uz.php
• http://apfyz.upol.cz/ucebnice/details/ultrazvuk_terapie.pdf
• https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=14149

Použitá literatura

• NAVRÁTIL, Leoš. Biofyzika v medicíně. 1. vydání. Praha : Manus, 2003. ISBN 80-86571-03-3.

Reference

• Radiologická fyzika, Zvuk a ultrazvuk, Biofyzikální ústsav LF MU, 2014