Πώς λειτουργεί ο υπερηχογράφος;

Τι είναι οι υπέρηχοι;

Καταρχήν, ο ήχος είναι ένα κύμα (βλ. εικόνα)

πηγή εικόνας By Thierry Dugnolle - Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18812489

Προαπαιτούμενο για τη διάδοση του κύματος του ήχου στο χώρο είναι η ύπαρξη ενός μέσου. Ο ήχος δεν διαδίδεται στο κενό. Έτσι στο διάστημα επί παραδείγματι ο ήχος δεν διαδίδεται. Το μέσο, εντός του οποίου ο ήχος διαδίδεται μπορεί να είναι αέριο, υγρό ή στερεό.

Ένα από τα χαρακτηριστικά, που αναφέρουμε, όταν θέλουμε να περιγράψουμε έναν ήχο, είναι η συχνότητά του. Με τον όρο συχνότητα αναφερόμαστε στον αριθμό των επαναλήψεων ενός ηχητικού κύματος σε ένα δευτερόλεπτο. Στο ακόλουθο σχήμα το κόκκινο κύμα έχει χαμηλή συχνότητα, το μπλε μέτρια συχνότητα και το πράσινο υψηλή συχνότητα.

Η μονάδα μέτρησης της συχνότητας είναι το hertz (συμβολίζεται με Hz). Το ανθρώπινο αφτί είναι σε θέση να αντιληφθεί ήχους, των οποίων η συχνότητα κυμαίνεται μεταξύ των 20 Hz και των 20.000 Hz. Υπέρηχοι ονομάζονται οι ήχοι, των οποίων η συχνότητα υπερβαίνει τα 20.000 Hz και δεν είναι δυνατόν να τους ακούσουμε.

Πώς μπορούμε με τους υπερήχους να «δούμε» το εσωτερικό του σώματος;

Ο ήχος, αν συναντήσει κάποιο εμπόδιο αντανακλάται, οπότε και δημιουργείται η λεγόμενη «ηχώ». Το φαινόμενο αυτό μπορούμε εύκολα να το διαπιστώσουμε, αν μιλήσουμε μέσα σε ένα άδειο και μεγάλο δωμάτιο, τότε θα ακούσουμε τη φωνή μας να «γυρίζει πίσω».

Το πώς αντανακλάται ο ήχος, όταν συναντήσει κάποιο σώμα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του σώματος αυτού. Κάποια σώματα «επιτρέπουν» στο ηχητικό κύμα να τα διαπεράσει, οπότε δεν δημιουργείται ηχώ, άλλα πάλι δεν επιτρέπουν στα ηχητικά κύματα να τα διαπεράσουν, οπότε ο ήχος αντανακλάται σχεδόν στο σύνολό του και η ηχώ είναι ιδιαίτερα έντονη, ενώ υπάρχουν και σώματα, που επιτρέπουν μόνον σε μέρος του κύματος να τα διαπεράσει, οπότε η ηχώ είναι «ενδιάμεση». Αυτήν ακριβώς την ιδιότητα των ηχητικών κυμάτων «εκμεταλλευόμαστε» προκειμένου να «δούμε» το εσωτερικό του σώματος.

Το «μάτι» του υπερηχογράφου είναι η κεφαλή του. Μία τέτοια κεφαλή απεικονίζεται παρακάτω και είναι κατασκευασμένη κατά τέτοιο τρόπο, ώστε τόσο εκπέμπει υπερήχους, όσο και λαμβάνει και «καταγράφει» την ηχώ των υπερήχων, που «επιστρέφουν» σε αυτή μετά την «ανάκλασή» τους στους ιστούς.

Στην ακόλουθη σχηματική απεικόνιση βλέπουμε την κεφαλή του υπερηχογράφου, η οποία «ακουμπά» πάνω στο δέρμα και εκπέμπει υπερήχους (έντονα κόκκινο κύμα).

Μέρος των υπερήχων αυτών δεν αντανακλάται και «διαπερνά» τον ιστό (αχνά κόκκινο κύμα), ενώ μέρος τους αντανακλάται στους ιστούς και επιστρέφει στην κεφαλή (μπλε κύμα), το οποίο είναι πρακτικά η «ηχώ».

Οι υπέρηχοι, που «επιστρέφουν» ως ηχώ στην κεφαλή μετατρέπονται σε ηλεκτρονικό σήμα, το οποίο διαβιβάζεται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή του υπερηχογράφου. Εκεί αρχικά γίνεται επεξεργασία του σήματος αυτού και καθορίζονται δύο χαρακτηριστικά της «ηχούς»:

• πόσο ήταν το χρονικό διάστημα, που μεσολάβησε μεταξύ της εκπομπής των υπερήχων και της επιστροφής της «ηχούς» τους στην κεφαλή; Έτσι καθορίζεται η απόσταση από το επίπεδο, όπου έλαβε χώρα η «αντανάκλαση» των υπερήχων.
• πόσο «ισχυρή» είναι η ηχώ αυτή; Έτσι καθορίζεται ποιο ποσοστό των υπερήχων «διέσχισε» τον ιστό και ποιο «επέστρεψε» στην κεφαλή μετά από αντανάκλαση πάνω στον ιστό.

Με βάση αυτά τα δύο χαρακτηριστικά ο υπολογιστής μετατρέπει το ηλεκτρονικό σήμα σε οπτικό στην οθόνη του υπερηχογράφου και δημιουργεί μία «οπτική ψηφίδα», ένα pixel δηλαδή.

Η θέση της ψηφίδας αυτής πάνω στην οθόνη εξαρτάται από το χρόνο, που μεσολάβησε μεταξύ της εκπομπής των υπερήχων και της επιστροφής της «ηχούς», ενώ το χρώμα της από την ένταση της ηχούς.

Αν η ένταση της ηχούς είναι ιδιαίτερα ισχυρή, τότε πρακτικά οι υπέρηχοι δεν κατέστη δυνατόν να διαπεράσουν τον ιστό και «επέστρεψαν» στην κεφαλή σχεδόν στο σύνολό τους. Στην περίπτωση αυτή η ψηφίδα «χρωματίζεται» λευκή. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ιστών, που δεν «διαπερνάται» από τους υπερήχους είναι τα οστά, τα οποία στην οθόνη του υπερηχογράφου «χρωματίζονται» λευκά.

Αν η ένταση της ηχούς είναι ιδιαίτερα χαμηλή, τότε πρακτικά οι υπέρηχοι διαπέρασαν τον ιστό και πολύ μικρό ποσοστό από αυτούς «επέστρεψαν» στην κεφαλή ως ηχώ. Στην περίπτωση αυτή η ψηφίδα «χρωματίζεται» μαύρη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ιστών, που «διαπερνάται» πλήρως από τους υπερήχους είναι τα υγρά. Έτσι μία κύστη γεμάτη υγρό θα απεικονισθεί με μαύρο χρώμα στην οθόνη του υπερηχογράφου.

Μεταξύ του λευκού και του μαύρου υπάρχει το φάσμα του γκρι, ανάλογα με το ποσοστό των υπερήχων, που «επιστρέφουν» στην κεφαλή ως ηχώ. Το κατά πόσο οι υπέρηχοι «διαπερνούν» τον ιστό ή «αντανακλώνται» πάνω σε αυτόν εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του κάθε ιστού και σε έναν βαθμό από την πυκνότητά του. Έτσι, συνήθως όσο «πυκνότερος» είναι ο ιστός, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντανάκλαση των υπερήχων σε αυτόν και τόσο πιο «λευκός» απεικονίζεται στην οθόνη.

Θα πρέπει να σημειώσουμε, πως στην οθόνη του υπερηχογράφου συνδυάζονται όλες οι ψηφίδες, προκειμένου να δημιουργηθεί μια απεικόνιση της τομής του σώματος, δηλαδή στην οθόνη πρακτικά βλέπουμε μία «φέτα» του σώματος, που βρίσκεται κάτω από την κεφαλή του υπερηχογράφου.

Κάποια μηχανήματα έχουν τη δυνατότητα μέσω ειδικού λογισμικού να συνδυάσουν αυτές τις τομές και να «σχηματίσουν» στην οθόνη μία τρισδιάστατη απεικόνιση των ιστών.

Πρόκειται για τους υπερηχογράφους με δυνατότητα 4d. Η τρισδιάστατη απεικόνιση είναι μεν εντυπωσιακή, αλλά δεν έχει αποδειχθεί, πως βελτιώνει τελικά τις διαγνωστικές μας δυνατότητες.

Τι είναι το φαινόμενο Doppler;

Το φαινόμενο Doppler, πήρε το όνομά του από τον Αυστριακό φυσικό Christian Doppler, ο οποίος πρώτος το περιέγραψε το 1842. Ο Doppler, ήταν ο πρώτος, που παρατήρησε, πως η συχνότητα του ήχου, που εκπέμπεται από μία πηγή, η οποία κινείται, αλλάζει όσο αυτή πλησιάζει ή απομακρύνεται από ακίνητο παρατηρητή.

Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα της κόρνας ενός αυτοκινήτου, που πλησιάζει έναν πεζό, η οποία σταδιακά «ακούγεται» διαφορετικά (βλ εικόνα)

πηγή: By Charly Whisky 18:20, 27 January 2007 - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1606823

Ο ήχος, που εκπέμπει η κόρνα δεν αλλάζει, αλλά ο παρατηρητής αντιλαμβάνεται τον ήχο αυτόν ως πιο «ψηλό», όσο το αυτοκίνητο τον πλησιάζει.

Το φαινόμενο αυτό είναι δυνατόν να το «εκμεταλλευτούμε» στην υπερηχογραφία, αν διαθέτουμε τον κατάλληλο υπερηχογράφο. Οι υπέρηχοι, που εκπέμπονται από την κεφαλή «αντανακλώνται» πάνω στα κύτταρα του αίματος και η ηχώ τους αλλάζει συχνότητα ανάλογα με την ταχύτητα των κυττάρων αυτών, αλλά και με τον αν αυτά κινούνται προς την κεφαλή ή απομακρύνονται από αυτήν.

Το σήμα της ηχούς μετατρέπεται σε ηλεκτρονικό σήμα και στη συνέχεια σε οπτικό σήμα από τον ηλεκτρονικό εγκέφαλο του υπερηχογράφου. Έτσι η κίνηση του αίματος χρωματίζεται κόκκινη ή μπλε ανάλογα με τη φορά και την ταχύτητα της κίνησης του αίματος μέσα στα αγγεία. Με τον τρόπο αυτόν μπορούμε με τον υπερηχογράφο να μελετήσουμε και την αγγείωση των οργάνων, αλλά και τη ροή του αίματος μέσα στα αγγεία.

Δρ ΜΕΝΕΛΑΟΣ ΚΩΝ. ΛΥΓΝΟΣ, MSc, PhD
ΜΑΙΕΥΤΗΡ ΧΕΙΡΟΥΡΓΟΣ ΓΥΝΑΙΚΟΛΟΓΟΣ
Master of Science University College London
Διδάκτωρ Μαιευτικής Γυναικολογίας
www.eleftheia.gr