Ultrazvuk v terapii
Doc. Ing. Jana Kolářová, PhD.
Rozman J a kol. Elektronické přístroje v lékařství,
Academia 2006.
Val Robertson at al. Electrotherapy explained,
Butterworth-Heinemann; 4 edition (July 11, 2006).
Charakteristika zvuku
•Mechanické vlnění
• vlnová délka, frekvence, rychlost
šíření, velikost (amplituda)
• podélné vlnění
2
Ultrazvuk
ultrazvuk je akustické vlnění s frekvencí od
20kHz do 1GHz.
pro lékařské aplikace (diagnostiku a terapii)
se používají frekvence 2–30 MHz.
budiče – piezoelektrické nebo magnetostrikční
biofyzika ultrazvuku:
• aktivní interakce: uzv energie je pohlcována prostředím
– vyvolává jeho změny – biologické účinky uzv (terapie,
chirurgie)
• pasivní interakce: aplikace nízkých hodnot, nevyvolá
biologické účinky, zjišťování vlastností o akustických
vlastnostech tkáně (diagnostika)
3
Ultrazvuk
využití ultrazvuku v terapii:
• aplikace výkonového ultrazvuku ve
fyzikální terapii,
• v inhalační terapii,
• v ultrazvukových chirurgických
přístupech, litotripsie – drcení kamenů
v ledvinách,
4
Fázová rychlost zvuku závisí na prostředí a jeho
teplotě.
Pro rychlost zvuku ve vzduchu platí přibližný vztah:
vt = (331,82 + 0,61 t) m  s–1
t je teplota v Celsiových stupních, {t} je hodnota
teploty.
Rychlost zvuku ve vzduchu je (při teplotě 0 C a
hustotě suchého vzduchu 1,293 kg.m3): 331,82 m.s–1.
Fyzikální vlastnosti uzv
• ultrazvuk prochází hmotným
prostředím pomocí vibrací částic
• šíření uzv prostředím – přenos
vibrace na sousední částice
• zpoždění přenosu energie –
elastická vazba mezi částicemi
o určité hmotnosti
• absorpce energie → teplo
pro popis ultrazvuku musíme zavézt některé veličiny:
• akustický tlak p
• rychlost částic v – rychlost kmitání částic kolem
rovnovážné polohy
• rychlost šíření uzv vlny c
• hustota prostředí ρ
5
Akustický tlak
• P’ = P - P0
P… celkovévý tlak v daném bodě zvukového pole,
P0… trvalá hodnota atmosférického tlaku (2.10-5Pa),
P’… proměnná složka tlaku, která je superponována
k atmosférickému tlaku za přítomnosti zvuku.
(P’max~102Pa - 1000x menší hodnotu než P0)
• hladina (úroveň) akustického tlaku – určuje, o co
je daná (změřená) hodnota vyšší, než referenční
hodnota. Udává se v dB.
L = 20 log (P’/P0)
dvojnásobná hlasitost = o 6dB větší hladina ak. tlaku
desetinásobná hlasitost = o 20 dB větší hladina ak. tlaku
6
Intenzita zvuku
• I = P / S [W/m2]
• I… intenzita zvuku
• P… výkon akustického vlnění
• S… plocha, na kterou vlnění dopadá
• Měrný výkon – výkon dopadající na jednotku
plochy.
• hladina intenzity zvuku
LI = 10 log I / I0
I0… referenční hodnota I0 = 10-12 W.m-2
• Sčítání úrovní zvuku - zvuk se sčítá na výkonové úrovni,
proto máme-li dva zvuky 80dB naměříme 83 dB, tedy 2x takový
výkon.
7
Intenzita ultrazvuku
• intenzita uzv vlnění v prostoru je ovlivněna
• rozptylem vlnění,
• interferencí,
• vlastní absorpcí.
• od místa generování dochází tedy s rostoucí
vzdáleností k poklesu intenzity:
• I0 je vztažná hodnota intenzity uzv,
• kde α [dB/m] je činitel útlumu (je závislý
především na absorpci a také se označuje jako
koeficient absorpce).
• x vzdálenost. 8
Parametry tkání
• rychlost šíření uzv
• akustická impedance
• útlum ultrazvuku
9
Parametry tkání
10
Parametry tkání
rychlost šíření uzv živou tkání –
nehomogenní prostředí
• vliv nehomogenit ~ vlnový odpor a rozměry
ve vztahu k vlnové délce
• rozhraní látek – odraz, lom, popř. rozptyl
měkké tkáně – 1450-1650 ms-1
kosti – 3380 ms-1 (lebeční 4080 ms-1)
plíce – nedef.
11
Parametry tkání
]..[.. 1
 msPaEcZ 

E
c 
12
 rychlost šíření (podélných) vln je závislá
na parametrech prostředí:
kde E je Youngův modul pružnosti [Pa].
 rychlost šíření ultrazvuku v různých tkáních je
v širokém rozsahu nezávislá na frekvenci,
můžeme využít jednoduchý vztah mezi vlnovou délkou
a frekvencí ultrazvuku:
 = c/f
akustická impedance
Parametry tkání
• útlum ultrazvuku
• závislý na teplotě vzorku
• různá velikost útlumu u svalů při měření
podél a napříč vláken
• nejvyšší hodnoty činitele útlumu a jsou u plynů
(vzduch 0,14 dB/mm.MHz),
nejnižší jsou u kovů hliník 8,7 10-3 dB/mm.MHz)
• biologické tkáně dosahují hodnot
0,01 ÷ 3,3 dB/cm.MHz,
(lebeční kost 20 dB/cm.MHz)
13
Parametry tkání
• činitel útlumu uzv
• a je závislý na použité frekvenci
a = f (f)
To znamená, že vyšší frekvence jsou tlumeny
více a proniknou tedy do menších hloubek. Pro
vyšetřování hlouběji uložených orgánů je tedy
nutné použít menší frekvence (2-5MHz). To má
však za následek horší rozlišení (větší
vlnová délka)!
14
Hloubka vniku d[cm]
d[cm]/tuk d[cm]/sval d[cm]/kost
ultrazvuk 1MHz 7,2 1,7 0,22
ultrazvuk 2MHz 4,8 1,2 0,15
ultrazvuk 3MHz 2,4 0,6 0,07
15
E … energie zvuku
E0 … počáteční energie zvuku
x … hloubka vniku
d … charakteristická hloubka
vniku
Použití uzv obecně
16
Generování ultrazvuku
• k vybuzení vibrací částic, které tvoří uzv
vlnu je potřeba dodat
• určitou energii [J];
• za jednotku času - výkon [W].
• - vztažený na jednotku plochy pak definuje
intenzitu I [W.m-2], [W.cm-2]
• pro terapii: max 30kW/m2 (3W/cm2) při
expoziční době 15min)
• dávka: součin intenzity uzv a doba aplikace
• různé klinické účinky na různé tkáně a
orgány těla
• pracovní frekvence, druh provozu, chlazení…
17
Generování ultrazvuku
18
piezoelektrický jev: schopnost krystalu generovat elektrické napětí
při jeho deformaci,
opačný jev: krystal se působením elektrického napětí deformuje.
fyzikální terapie
• pracovní frekvence – se volí podle požadované
hloubky vniku
• 800kHz, 1600kHz (hloubka vniku jednotky cm)
• nižší frekvence – větší hloubka
• vyšší frekvence – menší hloubka – velká absorpce –
pouze povrchové působení na tkáň
• dávka
• malá – pod 0,5W/cm2 – mikromasážní účinky, urychlení
fyziologických procesů
• střední – 1-5W/cm2 – interbuněční látková výměna
• vysoká – nad 5W/cm2 – dochází k poškození buněk,
tkáně, až odumření (uzv chirurgie)
• hodnoty platí pro spojitě vysílanou uzv vlnu, pro
impulsní režim je doba působení delší.
• reverzibilní změny 3W/cm2 ireverzibilní změny
19
Fyzikální terapie
•návrh terapie s ohledem na
bezpečnost pacientů jsou platné pro
všechny aplikace ve fyzioterapii:
• volba pracovní frekvence,
• průměry uzv měničů,
• užitá dávka,
• konstrukční řešení přístrojů
20
Konstrukční řešení
technické hledisko
• pracovní frekvence,
• požadovaná hloubka vniku  800 kHz, 1,6 MHz s
ohledem na odpovídající poloviční hloubku
vniku 5 ÷ 7 cm ve tkáni.
poloviční hloubka vniku je hloubka ve tkáni,
ve které intenzita uzv vůči intenzitě na
povrchu těla má poloviční hodnotu. Při vyšších
frekvencích je však absorpce uzv tak velká, že
dochází jen k působení na tkáně uložené co
nejblíže povrchu těla.
• provedení uzv hlavice,
• konstrukční řešení vlastního přístroje,
• druh provozu,
• velikosti dávek, kontrola dávek
21
Terapeutická hlavice
22
 průměr užitých uzv měničů bývají 10 ÷ 30 mm,
 krycí vrstva měničů - rezonanční tloušťka,
 zadní strana měničů bývá tlumena jen vzduchem.
 pouzdro hlavice je obvykle hermeticky uzavřeno
pro možné subaquální aplikace.
Konstrukční řešení
•požadavky uživatele,
•napájení je zpravidla ze sítě přes
oddělovací transformátor.
•velikost zařízení (přenosné),
•počet hlavic,
•přídavná zařízení (modulace nosné
vlny) ap.
23
Ultrazvukové pole
24
Ultrazvukové pole ve 3D
25
terapie –
blízké pole
diagnostika
Fyziologické účinky
výkonového ultrazvuku
• při působení výkonového uzv na biologické systémy se
jedná o aktivní interakce, při kterých pohlcená uzv
energie vyvolá v biologických systémech změny. Cílené
využití těchto změn je v uzv terapii a chirurgii.
• biologické účinky zásadně dělíme na:
• primární - dané mechanickým působením uzv,
• sekundární - způsobované jinými druhy energie v něž se uzv
energie transformovala (tepelná, chemická, ap.)
• podle způsobu interakce hovoříme o působení:
• přímém - projevujícím se během aplikace,
• nepřímém - zprostředkovaném buď fyzikálně, chemicky nebo
reflexně.
• z hlediska mechanismu působení můžeme biologické účinky
rozdělit na:
• kavitační,
• tepelné,
• ostatní - s převahou účinků mechanických a chemických.
26
Biologické účinky ultrazvuku
• mechanické účinky - zhušťování a zřeďovaní prostředí vede k
rychlým tlakovým změnám při kmitání molekul. Rychlým střídáním
tlaků v malých objemech může dojít k mechanickému rozrušení
různých materiálů.
• biologické účinky jsou komplexní a závislé na intenzitě,
kmitočtu a trvání expozice. Výsledkem jsou i strukturální
změny (rozpad červených krvinek, koagulace bílkovin, rozrušení
buněčného jádra).
• Účinky jsou:
• zvýšení membránové permeability (zrychlení difúze ve tkáních)
• porušení vodivosti nervových vláken (tlumivý účinek na přenos
vzruchů)
• změna pH tkání (po ozvučení ultrazvukem se pH zvyšuje, po
nadměrné intenzitě může prudce klesnout)
• analgetický a spasmolytický účinek (tišení bolesti)
• změkčování vazivové tkáně změněné chorobnými procesy
• Zlepšení trofiky (výživa tkání) (zvýšení místního krevního
oběhu a tím zvýšení metabolizmu)
27
Tepelné účinky
• tepelná energie - důsledek absorpce uzv energie
a někdy také jako následek impedančních vazeb.
• na rozhraní různých akustických impedancí tkání
- vznik teplotního rozdílu
• absorpce uzv ve tkáních je závislá na
• frekvenci,
• kinetické viskozitě
• termoregulačním mechanismu kůže, který
konvekcí zabezpečuje převod tepla do ostatních
tkání těla. Podstatnou roli zde sehrává krevní
oběh.
• zvýšení teploty tkání po ozvučení
• pro celý objekt x samostatné tkáně
28
Tepelné účinky
29
Tepelné účinky
30
Mechanické a chemické účinky
• mechanické účinky
• vznik mikromasáže – urychlení procesů na úrovní
buněk  tkání
• důsledkem je lokální ohřev, a uvolnění
histamínu  prokrvení tkáně, látková výměna
• nevratné změny ve tkáních – při vyšších
intenzitách uzv pole – chirurgie
• chemické účinky
• reakce v ozvučovaných tkáních
• funkční makromolekuly mění svou aktivitu
• změny vazby v prostředí, elektrochemické
vlastnosti
31
Riziko uzv aplikací
• základní kritérium při posuzování rizika uzv
aplikací v lékařství.
- intenzita uzv pole
• Světová zdravotnická organizace (WHO) posoudila v
r. 1976 publikované výsledky z oblasti
biologických účinků při aplikacích uzv a
vypracovala následující doporučení.
• diagnostické postupy
• ve frekvenčním rozsahu 1 ÷ 20 MHz
maximální hodnota intenzity uzv 7,2 kW/m² (720 mW/cm²)
-nove hodnoty
při expozičních časech 1 ÷ 500 s, dávka: 105 J/m².
• uzv terapie
• maximální hodnota intenzity uzv 30 kW/m² (3 W/cm²)
při maximální expoziční době 15 minut.
• Doposud nebyly publikovány nálezy, podle kterých by bylo možné
označit tyto dávky v uzv aplikacích za zdraví škodlivé či
nebezpečné.
32
Léčebná hlediska
• aplikace
• lokálně – nepřímo,
• paravertebrálně (ozvučování nervově přidružených
segmentů páteře.
• realizace
• přímým kontaktem hlavice s kůží pacienta přes
vazební prostředí (olej, gel),
• zprostředkovaně (subaquálně) ve vodní lázni 1 ÷ 3
cm od kůže. Poloha pacienta není rozhodující.
• přenos uzv energie do tkáně
• statickým ozvučováním,
• masážovitými pohyby hlavicí.
• dávky
• dávka statické ozvučování je 1/5 uvažované,
• dávka subaquální ozvučování masážovitými pohyby se
dávka zvyšuje,
• velikosti intenzit i počet dávek jsou závislé na
charakteru a stadiu onemocnění.
33