Co se skrývá v ultrazvukové vyšetřovací sondě? Ultrazvukové vlnění o frekvencích, které jsou používány v medicíně, je generováno pomocí piezoelektrických měničů. Piezoelektrický jev objevili v roce 1880 bratři Pierre a Jacques Curie. Piezoelektrické materiály mají schopnost přeměňovat mechanické napětí na elektrické pole a mohou tedy být využívány jako elektroakustické měniče. Nachází-li se piezoelektrický materiál v oscilujícím tlakovém poli (např. pokud na něj dopadá ultrazvuková vlna), můžeme pomocí elektrod umístěných na jeho povrchu naměřit elektrické napětí, jehož časová závislost je shodná s časovou závislostí tlakových oscilací. Naopak, je-li na povrch piezoelektrického materiálu přivedeno střídavé elektrické napětí, dochází k oscilacím tohoto elektroakustického měniče, které generují mechanické vlnění o frekvenci shodné s frekvencí aplikovaného napětí. Moderní diagnostické ultrazvukové systémy nejčastěji využívají elektronické vyšetřovací sondy, které jsou tvořeny velkým počtem (typicky 128 256) elementárních pravoúhlých piezoelektrických měničů. Každý měnič má na přední a zadní straně elektrodu, k níž je připojen koaxiální kabel. Při vysílání ultrazvuku je pomocí kabelu a elektrod na měnič přiveden elektrický impulz, při přijímání ultrazvuku slouží elektrody ke snímání generovaného elektrického signálu. Aby byl zajištěn dobrý přenos krátkých impulzů ultrazvukového vlnění do vyšetřovaných tkání, musí vyšetřovací sondy vedle samotných piezoelektrických elementů obsahovat tlumící vrstvu na zadní straně měničů a vazební vrstvu s impedančním přizpůsobením na přední straně měničů. Poslední základní součástí vyšetřovací sondy je čočka, která fokusuje ultrazvukové paprsky do určité, pevně dané hloubky. Fokusace pomocí cylindrické čočky je využívána pouze v rovině kolmé ke skenovací rovině (v tzv. elevační rovině), protože ve skenovací rovině je paprsek fokusován elektronicky. Podle uspořádání elementárních měničů rozlišujeme tři základní typy elektronických sond lineární, konvexní a sektorové sondy. Lineární sonda má elementární měniče uspořádané v řadě podél přímky. Obraz vytvořený lineární sondou je pravoúhlý, šířka jeho záběru odpovídá šířce sondy. Ultrazvukový obraz je tvořen jednotlivými liniemi, které odpovídají průchodu jednotlivých ultrazvukových paprsků vyšetřovanou tkání. Pro vyslání jednoho ultrazvukového paprsku se vždy využívá skupina typicky 32 nebo více sousedících elementárních měničů, která se označuje jako apertura to umožňuje elektronickou fokusaci paprsků do libovolně nastavitelné hloubky. Lineární sondy jsou typicky využívány k zobrazení povrchových orgánů (např. štítné žlázy, prsu) nebo k dopplerovským vyšetřením cév (např. karotidy).
V konvexní sondě jsou elementární měniče uspořádány do oblouku o určitém poloměru křivosti. Ve zbylých detailech je konstrukce sondy a princip generování ultrazvukových paprsků stejný jako v případě lineární sondy. Díky uspořádání měničů poskytuje konvexní sonda podobně jako lineární sonda široké zorné pole, které se však se vzrůstající hloubkou ještě dále rozšiřuje. Toho se využívá při zobrazení břišních orgánů nebo v porodnictví. Sektorové sondy dostaly svůj název podle tvaru obrazu, který připomíná vějíř, jehož centrální bod odpovídá středu sondy. Podle principu tvoření jednotlivých ultrazvukových paprsků bývají tyto sondy označovány jako fázově řízené nebo podle anglického originálu phased array. Konstrukce sondy je podobná lineární sondě. Počet měničů je však většinou menší typicky 64. Celková šířka sondy je mnohem menší než u ostatních typů sond a celý ultrazvukový obraz je tak získán z poměrně malé vstupní plochy označované jako akustické vstupní okno. Pro vytvoření každého ultrazvukového paprsku jsou u sektorové sondy vždy využity všechny elementární měniče a během získávání ultrazvukového obrazu je tento paprsek postupně vychylován do různých směrů v rámci vyšetřované oblasti. Princip vychylování paprsků je obdobný jako princip elektronické fokusace. Typicky se sektorovými sondami setkáme při vyšetření srdce (echokardiografii) nebo při transkraniálních vyšetřeních (např. mozkových tepen). Pro vytvoření trojrozměrného ultrazvukového obrazu (3D ultrazvuku) je nutné nasnímat sérii jednotlivých dvojrozměrných řezů. Aby z těchto řezů bylo možné zrekonstruovat výsledný obraz, je nutné znát umístění jednotlivých řezů. V praxi jsou pro tento účel využívány především maticové sondy, které mají elementární měniče umístěné v několika řadách, což umožňuje nasnímání celého zobrazovaného objemu. Zvláštní skupinu elektronických sond tvoří tzv. endokavitální sondy, které jsou využívány k transvaginálním vyšetřením v gynekologii, k transrektálním vyšetřením (např. prostaty) a transesofageálním vyšetřením (v rámci vyšetření srdce echokardiografie). Existují i speciální sondy, které se zavádějí pomocí katétru přímo do cévy a umožňují zobrazení cévní stěny a tedy např. hodnocení aterosklerotických plátů. Vedle elektronických sond dále existují i mechanické sondy, které obsahují jediný měnič generující paprsek, jehož postupným směrováním je získán sektorový obraz.
Obr. 1 Endovaginální vyšetřovací sonda Obr. 2 Konstrukce elektronické vyšetřovací sondy
Obr. 3 Konvexní vyšetřovací sonda a typický tvar ultrazvukového obrazu Obr. 4 Lineární vyšetřovací sonda a typický tvar ultrazvukového obrazu Obr. 5 Mechanická vyšetřovací sonda Obr. 6 Sektorová (fázově řízená)vyšetřovací sonda a typický tvar ultrazvukového obrazu
Obr. 7 Transesofageální sonda