Ultrazvuk v optické, optometristické a oftalmologické praxi

Masarykova univerzita L´ekaˇrsk´a fakulta

´ RSK ˇ ´ PRACE ´ BAKALA A

Mark´eta Trˇn´akov´a

Ultrazvuk v optick´ e, optometristick´ e a oftalmologick´ e praxi Katedra optometrie a ortoptiky

Vedouc´ı bakal´aˇrsk´e pr´ace: Mgr. Radek Anderle Studijn´ı program: Specializace ve zdravotnictv´ı Studijn´ı obor: Optika a optometrie Brno 2013

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji vedouc´ımu m´e bakal´aˇrsk´e pr´ace, panu Mgr. Radku Anderlemu, za cenn´e rady a pˇripom´ınky, kter´e mi poskytl pˇri psan´ı.

Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto bakal´aˇrskou pr´aci vypracovala samostatnˇe a v´yhradnˇe s pouˇzit´ım citovan´ych pramen˚ u, literatury a dalˇs´ıch odborn´ych zdroj˚ u. Souhlas´ım, aby byla pr´ace zpˇr´ıstupnˇena dalˇs´ım studijn´ım u ´ˇcel˚ um a citov´ana dle platn´ych norem.

V Brnˇe dne 23. dubna 2013

Mark´eta Trˇ n´akov´a

N´ azev pr´ ace: Ultrazvuk v optick´e, optometristick´e a oftalmologick´e praxi Autor: Mark´eta Trˇ n´akov´a Katedra: Katedra optometrie a ortoptiky Vedouc´ı bakal´ aˇ rsk´ e pr´ ace: Mgr. Radek Anderle Abstrakt: Tato bakal´aˇrsk´a pr´ace zpracov´av´a vyuˇzit´ı ultrazvuku v praxi optika, optometristy ˇci oftalmologa. Po u ´ vodu jsou pops´any z´akladn´ı principy vzniku zvuku, ultrazvuku, zp˚ usob ˇs´ıˇren´ı v prostˇred´ı, sezn´amen´ı se z´akladn´ımi principy ultrazvukov´eho zobrazen´ı a tak´e historick´y pˇrehled zvuku a ultrazvuku. Dalˇs´ı kapitola je vˇenov´ana vyuˇzit´ı ultrazvuku v optick´e praxi, kde je pops´an princip ultrazvukov´eho ˇciˇstˇen´ı spoleˇcnˇe s v´yhody tohoto ˇciˇstˇen´ı. Nejobs´ahlejˇs´ı posledn´ı kapitola pojedn´av´a o vyuˇzit´ı ultrazvuku v oftalmologick´e praxi. Nejprve jsou zde zm´ınˇeny akustick´e vlastnosti tk´an´ı a org´an˚ u, gely pro ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı, mechanismy ultrazvukov´eho zobrazen´ı a hlavn´ı ˇc´asti t´eto kapitoly jsou uvedeny metody biometrie a biomikroskopie oka, kde je v posledn´ı ˇc´asti pops´ana fakoemulzifikace. Kl´ıˇ cov´ a slova: ultrazvuk, ultrazvukov´a ˇcistiˇcka, A–zobrazen´ı, B–zobrazen´ı, ultrazvukov´a biometrie, ultrazvukov´a biomikroskopie

Title: Ultrasound applications in optics, optometry and ophthalmology Author: Mark´eta Trˇ n´akov´a Department: Department of Optometry and Orthoptics Supervisor: Mgr. Radek Anderle Abstract: This bachelor thesis deals with ultrasound applications in optics, optometry and ophthalmology. In first part is described the basic principles of sound, ultrasound, way to spread in the medium, introduction to the basic principles of ultrasonography and historical overview of sound and ultrasound. Another chapter is devoted to the use of ultrasound applications in optics, which describes the main principle of ultrasonic cleaning with the benefits of this cleaning. The most comprehensive final chapter discusses the use of ultrasound applications in ophthalmology. First, it discusses the acoustic properties of tissues and organs, gel for ultrasound examination, ultrasound display mechanisms and the main part of this chapter are the methods: biometry and biomicroscopy of the eye, in the last section is described phacoemulsification. Keywords: ultrasound, ultrasonic cleaner, A–scan, B–scan, ultrasound biometry, ultrasound biomicroscopy

Obsah ´ Uvod

3

1 Zvuk a ultrazvuk

4

ˇıˇren´ı zvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 S´

4

1.1.1

Zp˚ usob ˇs´ıˇren´ı zvuku v re´aln´em prostˇred´ı . . . . . . . . . .

5

1.1.2

Kmitoˇcet

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.1.3

Perioda, vlnov´a d´elka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.1.4

Rychlost ˇs´ıˇren´ı zvuku a ultrazvuku . . . . . . . . . . . . .

6

1.1.5

Fyzik´aln´ı vlastnosti zvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.2 Fyzik´aln´ı popis ultrazvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.2.1

Vznik ultrazvuku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.3 Sezn´amen´ı se z´akladn´ımi principy ultrazvukov´eho zobrazen´ı . . .

9

1.3.1

Zvukov´e vlny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.3.2

ˇıˇren´ı ultrazvuku tk´anˇemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . S´

13

1.4 Historick´y pˇrehled zvuku a ultrazvuku . . . . . . . . . . . . . . .

16

2 Ultrazvuk v optick´ e praxi

18

ˇ stˇen´ı ultrazvukem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Ciˇ

18

2.1.1

Princip a z´akladn´ı pojmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.1.2

ˇ Cistic´ ı proces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.2 V´yhody ˇciˇstˇen´ı ultrazvukem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3 Ultrazvuk v optometristick´ e a oftalmologick´ e praxi

25

3.1 Akustick´e vlastnosti tk´an´ı a org´an˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.2 Ultrazvukov´a diagnostika v oftalmologii . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.3 Gely pro ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.4 Mechanismus ultrazvukov´eho zobrazen´ı . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.4.1

Reˇzim zobrazen´ı odraz˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.5 Dopplerovsk´e zobrazen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.5.1

Doppler˚ uv princip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.6 Ultrazvukov´e metody biometrie oka . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

1

3.6.1

Kontaktn´ı metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.6.2

Imerzn´ı metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

3.7 Vyuˇzit´ı ultrazvukov´e biomikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.8 Fakoemulzifikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.8.1

Fakoemulzifikace ˇcoˇckov´eho j´adra . . . . . . . . . . . . . .

44

Z´ avˇ er

52

Seznam pouˇ zit´ e literatury

53

2

´ Uvod Ultrazvukov´a diagnostika nach´az´ı uplatnˇen´ı ve vˇsech l´ekaˇrsk´ych oborech, kter´e pro stanoven´ı diagn´ozy vyˇzaduj´ı informace o struktuˇre tk´anˇe. C´ılem bakal´aˇrsk´e pr´ace je shrnut´ı vyuˇzit´ı ultrazvuku jak v optick´e, tak optometristick´e ˇci oftalmologick´e praxi. A protoˇze ultrazvuk u ´ zce souvis´ı se zvukem, jsou v prvn´ı ˇradˇe pops´any oba jevy fyzik´alnˇe. Dnes uˇz t´emˇeˇr v kaˇzd´e oˇcn´ı optice nalezneme ultrazvukovou ˇcistic´ı sadu urˇcenou pˇredevˇs´ım pro rychl´e a efektivn´ı ˇciˇstˇen´ı br´yl´ı, a tud´ıˇz by mˇel kaˇzd´y optik, jeˇz ˇciˇstˇen´ı prov´ad´ı a zodpov´ıd´a za nˇej, vˇedˇet alespoˇ n z´akladn´ı principy ultrazvukov´eho ˇciˇstˇen´ı. Ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı v oftalmologii se pouˇz´ıv´a v mnoha rozliˇcn´ych pˇr´ıpadech. Jedn´ım z nich je, pokud nejsme schopni pomoc´ı oftalmoskopu ˇci ˇstˇerbinov´e lampy vidˇet na zadn´ı p´ol oka, tedy pokud nejsou optick´a m´edia ˇcir´a, napˇr´ıklad kv˚ uli zkalen´ı rohovky (ed´em, jizva, z´anˇet), ˇcoˇcky, sklivce (krev, fibriny, z´akalky), komorov´e vody (krev) a nen´ı moˇzn´e fundus zobrazit. D´ale se s ultrazvukem setk´ame napˇr´ıklad pˇred operac´ı ˇsed´eho z´akalu, kdy je potˇreba zjistit axi´aln´ı d´elku oka pro v´ypoˇcet optick´e mohutnosti intraokul´arn´ı ˇcoˇcky a to mˇeˇren´ı pomoc´ı ultrazvukov´e biometrie, kdy lze tak´e mˇeˇrit hloubku pˇredn´ı a zadn´ı oˇcn´ı komory. Dalˇs´ı diagnostikou pro ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı mohou b´yt patologick´e stavy, kter´e nejsme schopni pomoc´ı bˇeˇzn´ych vyˇsetˇren´ıch v ambulanci rozeznat. Jde o odchl´ıpen´ı s´ıtnice, u zjiˇstˇen´ı polohy nitrooˇcn´ıch tˇel´ısek, u nitrooˇcn´ıch n´ador˚ u nebo u onemocnˇen´ı orbity a okohybn´ych sval˚ u. Ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı se pouˇz´ıv´a tak´e u pacient˚ u, jejichˇz optick´a m´edia jsou ˇcir´a, ale pacient s l´ekaˇrem nespolupracuje ˇci jej nelze rozkapat. K ultrazvukov´emu vyˇsetˇren´ı v oˇcn´ım l´ekaˇrstv´ı slouˇz´ı jednorozmˇern´e A–zobrazen´ı, kter´e slouˇz´ı k detailn´ımu vyˇsetˇren´ı v rovin´ach, urˇcen´ych echotomograficky a je ned´ılnou souˇc´ast´ı pro biometrii. Dvourozmˇern´e B–zobrazen´ı slouˇz´ı k pˇrehledu obraz˚ u o patologick´ych stavech a zmˇen´ach v oku. V z´avˇeru pr´ace je pops´an jeden z novˇejˇs´ıch a modernˇejˇs´ıch pˇr´ıstroj˚ u urˇcen´y i pro fakoemulzifikaci ˇcoˇckov´eho j´adra.

3

1. Zvuk a ultrazvuk Zvuk je tvoˇren kmit´an´ım ˇc´astic pruˇzn´eho prostˇred´ı v rozsahu slyˇsiteln´ych kmitoˇct˚ u, to je v rozmez´ı od 16 Hz do 20 kHz. Mechanick´e kmity o kmitoˇctu niˇzˇs´ım neˇz 16 Hz tvoˇr´ı oblast infrazvuku a kmitoˇcty vyˇsˇs´ı neˇz 20 kHz tvoˇr´ı oblast ultrazvuku. Zvuk se pruˇzn´ym prostˇred´ım ˇs´ıˇr´ı formou vlnˇen´ı, coˇz znamen´a deformace tohoto prostˇred´ı, pˇri n´ıˇz nedoch´az´ı k v´yznamn´emu pˇrenosu ˇc´astic prostˇred´ı, ale jen k jejich kmit´an´ı kolem rovnov´aˇzn´ych poloh. Rozezn´av´ame celkem dva druhy kmit´an´ı (t´eˇz vlnˇen´ı): pˇr´ıˇcn´e a pod´eln´e. V tekut´em prostˇred´ı (plynn´em a kapaln´em) se zvuk ˇs´ıˇr´ı formou vlnˇen´ı pod´ eln´ eho – longitudin´aln´ıho, kdy ˇc´astice prostˇred´ı kmitaj´ı ve smˇeru ˇs´ıˇren´ı vlnˇen´ı a stˇr´ıdavˇe se zhuˇst’uj´ı a zˇred’uj´ı. Pˇ r´ıˇ cn´ e nebo-li transverz´aln´ı kmit´an´ı m˚ uˇze nastat v prostˇred´ıch s pevn´ym nebo kapaln´ym skupenstv´ım, kde jsou na sebe molekuly pevnˇeji v´az´any. Tyto l´atky se d´ale vyznaˇcuj´ı malou stlaˇcitelnost´ı, takˇze vzd´alenosti mezi jednotliv´ymi molekulami jsou vesmˇes konstantn´ı. [7], [17]

1.1

ˇ ıˇ S´ ren´ı zvuku

Mechanick´ ym kmit´ an´ım rozum´ıme takov´e vlnˇen´ı, jehoˇz nositelem jsou ˇc´astice (molekuly) prostˇred´ı, kter´ym se vlnˇen´ı ˇs´ıˇr´ı. Pˇr´ıkladem mechanick´eho vlnˇen´ı m˚ uˇze b´yt kromˇe zvuku napˇr´ıklad vznik kruhov´ych vln po dopadu kamene na vodn´ı hladinu. Z m´ısta dopadu kamene se vlnˇen´ı ˇs´ıˇr´ı vodn´ım prostˇred´ım urˇcitou rychlost´ı ve vˇsech smˇerech. V okamˇziku, kdy vlna naraz´ı na pˇredmˇet plovouc´ı na hladinˇe, stane se i tento pˇredmˇet souˇc´ast´ı kmit˚ u prostˇred´ı, tzn. rozkmit´a se a rovnˇeˇz pˇred´av´a pohybovou energii v podobˇe kmit˚ u d´al, pˇriˇcemˇz setrv´av´a na stejn´em ˇ ıˇren´ı vlnˇen´ı tedy nen´ı spojeno s pˇrenosem m´ıstˇe a nen´ı vlnˇen´ım d´ale un´aˇsen. S´ hmoty, jej´ı ˇc´astice pouze kmitaj´ı na m´ıstˇe okolo sv´e rovnov´aˇzn´e polohy. Energie se vˇsak vlnˇen´ım pˇren´aˇs´ı. Pokud ˇc´astice kmitaj´ı kolem sv´e rovnov´aˇzn´e polohy v tomt´eˇz smˇeru, v jak´em se i cel´e vlnˇen´ı ˇs´ıˇr´ı, oznaˇcujeme jej jako pod´ eln´ e vlnˇ en´ı. Vlnˇ en´ı pˇ r´ıˇ cn´ e je naproti tomu charakterizov´ano kmity kolm´ymi na smˇer ˇs´ıˇren´ı. Zvuk, a tedy i ultrazvuk, je vlastnˇe periodick´ym zˇred’ov´an´ım a zahuˇst’ov´an´ım prostˇred´ı, kter´ym se ˇs´ıˇr´ı.

4

Ve vzduchu je vˇsak situace odliˇsn´a. Plyny se pˇri atmosf´erick´em tlaku aˇz tak neliˇs´ı od fyzik´aln´ıho modelu tzv. ide´aln´ıho plynu, u kter´eho mimo jin´e pˇredpokl´ad´ame, ˇze jednotliv´e molekuly na sebe (kromˇe sr´aˇzek) nijak nep˚ usob´ı. Sr´aˇzky jsou ve vzduchu za atmosferick´eho tlaku velmi ˇcast´e a okamˇzit´e rychlosti molekul jsou velmi vysok´e, pˇren´aˇs´ı se vlnˇen´ı pomˇernˇe snadno. Mechanismus ˇs´ıˇren´ı akustick´e vlny lze pˇribliˇznˇe vysvˇetlit napˇr´ıklad takto: Membr´ana reproduktoru zaˇcne konat dopˇredn´y pohyb. T´ım bezprostˇrednˇe pˇred sebou zvyˇsuje tlak vzduchu. Molekuly vzduchu se zaˇcnou pohybovat tak, aby tlak vyrovnaly, tedy od membr´any reproduktoru. Pˇritom nar´aˇzej´ı do ostatn´ıch molekul a pˇred´avaj´ı jim svou kinetickou energii, ˇc´ımˇz je poˇslou pˇribliˇznˇe ve smˇeru sv´eho dosavadn´ıho pohybu a postupuje tak zvukov´a vlna. V momentˇe, kdy se membr´ana reproduktoru dostane do maxim´aln´ı v´ychylky a pak obr´at´ı smˇer sv´eho ˇ astice vzduchu se opˇet pohybuj´ı pohybu, zaˇcne pˇred reproduktorem klesat tlak. C´ tak, aby vyrovnaly tlak – tentokr´at opaˇcn´ym smˇerem, tedy k membr´anˇe. T´ım se posune m´ısto poklesu tlaku d´ale od membr´any, a tak se ˇs´ıˇr´ı zvukov´a vlna opaˇcn´e polarity. [3], [17]

1.1.1

Zp˚ usob ˇ s´ıˇ ren´ı zvuku v re´ aln´ em prostˇ red´ı

Zvuk se ˇs´ıˇr´ı od zdroje ve vlnoploch´ach a ve voln´em prostˇred´ı mohou m´ıt kulov´y nebo rovinn´y tvar, jenˇz se m˚ uˇze zmˇenit napˇr´ıklad odrazem nebo pr˚ uchodem pˇrek´aˇzkou a podobnˇe. Za rovinnou vlnoplochu povaˇzujeme t´eˇz kulovou vlnu, kter´a je vytvoˇrena zdrojem zvuku ve znaˇcnˇe velk´e vzd´alenosti, kde jiˇz zakˇriven´ı vlny nehraje podstatnou roli. Akustick´ e pole je prostor, ve kter´em se ˇs´ıˇr´ı zvuk. Pˇriˇcemˇz podle charakteru zvukov´ych vln rozliˇsujeme pole rovinn´e, kulov´e a difuzn´ı. Pˇri ˇs´ıˇren´ı zvuku v prostˇred´ı s pˇrek´aˇzkami (skuteˇcn´e prostˇred´ı), doch´az´ı pˇri dopadu zvukov´e vlny na nˇekterou pˇrek´aˇzku k mnoha jev˚ um, pˇri kter´ych se ˇc´ast zvuku mˇen´ı na jinou formu energie (teplo). Obecnˇe se ˇc´ast zvuku odraz´ı, ˇc´ast akustick´e energie se pˇremˇen´ı v teplo nebo ˇc´ast pˇrek´aˇzkou projde popˇr´ıpadˇe se ˇs´ıˇr´ı pˇrek´aˇzkou samotnou. D´ale se m˚ uˇze kolem pˇrek´aˇzky ohnout, m˚ uˇze ji rozkmitat tak, ˇze se vlny odeˇctou a pˇrek´aˇzka se zaˇcne chovat jako by veˇskerou akustickou energii pohlcovala apod. Vˇsechno z´aleˇz´ı na rozmˇerech, sloˇzen´ı a tvaru pˇrek´aˇzky, 5

na vlnov´e d´elce zvukov´e vlny atd. [3], [17]

1.1.2

Kmitoˇ cet

Je vyj´adˇren´ım rychlosti periodicky prob´ıhaj´ıc´ıho dˇeje. Vyjadˇruje poˇcet cykl˚ u za jednu sekundu a ud´av´a se v jednotk´ach Hertz (fyzik´aln´ı rozmˇer je s−1 ). P´asmo slyˇsiteln´ych kmitoˇct˚ u je v rozmez´ı od 16 Hz do 20 kHz. Zvuky s vyˇsˇs´ı frekvenc´ı se naz´yvaj´ı souhrnnˇe ultrazvuky, niˇzˇs´ı frekvenci maj´ı infrazvuky. [17]

1.1.3

Perioda, vlnov´ a d´ elka

Perioda, resp. doba trv´an´ı jedn´e periody, je pˇrevr´acenou hodnotou jej´ı frekvence. Znaˇc´ı se T a fyzik´aln´ı rozmˇer m´a shodn´y jako ˇcas – sekundy. Vlnov´a d´elka pak zohledˇ nuje rychlost ˇs´ıˇren´ı sign´alu v prostˇred´ı a vyjadˇruje, jakou vzd´alenost uraz´ı sign´al za dobu jedn´e periody. Znaˇc´ı se λ a rozmˇer m´a stejn´y, jako m´ıra vzd´alenosti (metr). Jde tedy o souˇcin rychlosti ˇs´ıˇren´ı c a periody T. [17]

1.1.4

Rychlost ˇ s´ıˇ ren´ı zvuku a ultrazvuku

Ve vzduchu se rychlost ˇs´ıˇren´ı zvuku v bˇeˇzn´ych podm´ınk´ach spoˇc´ıt´a podle vzorce c = 331,8 m. s−1 + 0,6.T (m. s−1 ), kde T vyjadˇruje teplotu vzduchu ve stupn´ıch Celsia. Standardizovan´a hodnota 340 m. s−1 pak odpov´ıd´a teplotˇe 13,6 ◦ C. Jen pro pˇredstavu: ve vodˇe se zvuk ˇs´ıˇr´ı rychlost´ı 1484 m. s−1 a v oceli dokonce 5000 m. s−1 . Rychlost ˇs´ıˇren´ı zvukov´e vlny - f´ azov´ a rychlost (c) z´avis´ı na fyzik´aln´ıch vlastnostech prostˇred´ı a to na jeho pruˇznosti a teplotˇe. Souˇcin ρ . c pˇredstavuje veliˇcinu akustick´ y vlnov´ y odpor (akustickou impedanci), kter´a je charakteristick´a pro kaˇzdou l´atku a rozhoduje o velikosti odrazu akustick´e energie pˇri dopadu zvukov´e vlny na rozhran´ı prostˇred´ı o r˚ uzn´ych akustick´ych vlnov´ych odporech. Ultrazvuk ke sv´emu ˇs´ıˇren´ı potˇrebuje hmotn´e prostˇred´ı a z´avis´ı na hustotˇe dan´eho prostˇred´ı, jin´ymi slovy ˇreˇceno, jak relativnˇe vzd´alen´e mezi sebou jsou jeho jednotliv´e ˇc´astice, a tedy jak rychle jsou si schopny navz´ajem pˇred´avat sv˚ uj periodick´y kmitav´y pohyb. [3], [7], [17]

6

Obr´azek 1.1: Frekvence je d´ana poˇctem period za 1 sekundu.

1.1.5

Fyzik´ aln´ı vlastnosti zvuku

Kaˇzd´y zvuk je charakterizov´an tˇremi znaky a to v´yˇskou, barvou a s´ılou. V´ yˇ ska je urˇcena kmitoˇctem. Barva je d´ana zastoupen´ım harmonick´ych kmitoˇct˚ u ve zvukov´em spektru. S´ıla, pˇresnˇeji intenzita je d´ana mnoˇzstv´ım akustick´e energie, kter´a projde za sekundu jednotkovou plochou, kolmou ke smˇeru ˇs´ıˇren´ı vlnˇen´ı. V prostˇred´ı je intenzita zvuku pˇr´ımo u ´ mˇern´a ˇctverci efektivn´ıho akustick´eho tlaku a nepˇr´ımo u ´ mˇern´a akustick´emu vlnov´emu odporu. Intenzita zvuku pˇredstavuje akustick´y mˇern´y v´ykon, jehoˇz rozmˇer je (W.m−2 ). [7]

1.2

Fyzik´ aln´ı popis ultrazvuku

Pro vˇsechny druhy vlnˇen´ı, a tedy i pro ultrazvuk, plat´ı n´asleduj´ıc´ı fyzik´aln´ı z´akony. Podle nich se ultrazvukov´e vlnˇen´ı pˇri sv´em ˇs´ıˇren´ı: odr´ aˇ z´ı na makroskopick´ych rozhran´ıch dvou prostˇred´ı o r˚ uzn´e hustotˇe, a to t´ım intenzivnˇeji, ˇc´ım je hustota obou prostˇred´ı rozd´ılnˇejˇs´ı; oh´ yb´ a (lom´ı) na rozhran´ı dvou prostˇred´ı, nedopad´a-li vlnˇen´ı na toto rozhran´ı kolmo; 7

rozptyluje na mikroskopick´ych rozhran´ıch struktur, kter´e jsou menˇs´ı neˇz je jeho vlnov´a d´elka; pohlcuje (absorbuje), tzn., ˇze postupnˇe ztr´ac´ı svou energii pˇri pr˚ uchodu hmotn´ym prostˇred´ım. Danou energii pˇred´av´a ultrazvukov´e vlnˇen´ı do okol´ı formou tepeln´e energie, jej´ıˇz mnoˇzstv´ı je v pˇr´ıpadˇe interakce diagnostick´eho ultrazvuku s biologick´ymi tk´anˇemi aˇz na v´yjimky zanedbateln´e. Z fyzik´aln´ıho hlediska jde o pˇremˇenu pod´eln´eho periodick´eho kmitav´eho pohybu molekul prostˇred´ı (vlnˇen´ı) na pohyb molekul, kter´y je zcela chaotick´y (teplo). Odraz a rozptyl tvoˇr´ı z´aklad pro dvourozmˇern´e a dopplerovsk´e zobrazen´ı. [3]

1.2.1

Vznik ultrazvuku

Ultrazvukem rozum´ıme mechanick´e vlnˇen´ı s frekvenc´ı vyˇsˇs´ı neˇz 20 kHz, kter´e lidsk´e ucho nevn´ım´a. Ultrazvukov´e kmity lze vytvoˇrit 3 typy gener´ator˚ u: 1. mechanick´ ymi – mal´e ladiˇcky, p´ıˇst’aly; mal´a frekvence a v´ykon, 2. magnetostrikˇ cn´ımi – kmity kolem ˇzelezn´e tyˇcinky v magnetick´em poli elektromagnetu, kter´y je nap´ajen stˇr´ıdav´ym proudem; pouˇz´ıvaj´ı se k v´yrobˇe n´ızkofrekvenˇcn´ıho ultrazvuku, maj´ı velk´y v´ykon, avˇsak frekvence je v rozmez´ı od 20 kHz do 100 kHz; pouˇzit´ı v zubn´ım l´ekaˇrstv´ı a chirurgii k operaˇcn´ımu z´akroku i k ˇciˇstˇen´ı n´astroj˚ u, 3. piezoelektrick´ ymi – destiˇcka z kˇremene je pˇripojena k elektrod´am se stˇr´ıdav´ym napˇet´ım a tud´ıˇz kmit´a se stejnou frekvenc´ı jako napˇet´ı a mˇen´ı energii elektrickou na mechanickou, kter´a rozkmit´a okoln´ı prostˇred´ı; u diagnostick´ych i terapeutick´ych u ´ˇcel˚ u. Ultrazvuk se vytv´aˇr´ı pomoc´ı kˇremenn´e destiˇcky napojen´e na promˇenn´e elektrick´e napˇet´ı. Destiˇcka se v rytmu napˇet´ı smrˇst’uje a roztahuje a tak kmit´a. Tento jev se naz´yv´a piezoelektrick´y. Krystaly kˇremene jsou vˇsak jako zdroj ultrazvuku drah´e a m´alo v´ykonn´e; pouˇz´ıv´a se jich obvykle v laboratoˇr´ıch. V technick´e praxi se osvˇedˇcily syntetick´e l´atky, napˇr´ıklad keramick´y titaniˇcitan barnat´y.

8

Obr´azek 1.2: Kmitoˇcet ultrazvuku je mnohon´asobnˇe vyˇsˇs´ı neˇz kmitoˇcet zvuku. Ultrazvukov´e kmity maj´ı velmi siln´y u ´ˇcinek na ˇziv´y organismus: trhaj´ı vl´akna vodn´ıch ˇras, drt´ı ˇzivoˇciˇsn´e buˇ nky, rozruˇsuj´ı krvinky. To, ˇze ultrazvuk ˇclovˇek neslyˇs´ı, zdaleka neznamen´a, ˇze ho nedok´aˇze vyuˇz´ıt. Ultrazvukov´a defektoskopie vyuˇz´ıv´a ultrazvuk k vyhled´av´an´ı skryt´ych vad materi´alu. Je zaloˇzena na odrazu ultrazvukov´ych vln na rozhran´ı dvou prostˇred´ı (pevn´e tˇeleso – vzduch). Je-li v materi´alu nˇejak´a vada (trhlina), ultrazvukov´a vlna se na n´ı odraz´ı a je zachycena zpˇet pˇrij´ımaˇcem. Ze vzd´alenosti z´aznam˚ u vyslan´eho a odraˇzen´eho impulsu lze urˇcit hloubku vady pod povrchem. Intenzita ultrazvukov´ych vln je podstatnˇe vˇetˇs´ı neˇz intenzita slyˇsiteln´eho zvuku. Ultrazvukem lze tedy pˇren´aˇset znaˇcnou energii a udˇelovat tak ˇc´astic´ım prostˇred´ı znaˇcn´e zrychlen´ı. [7], [19]

1.3

Sezn´ amen´ı se z´ akladn´ımi principy ultrazvukov´ eho zobrazen´ı

Vibrac´ı zdroje, jako je napˇr´ıklad ladiˇcka nebo houslov´a struna, vznik´a zvuk. Kdyˇz tento zdroj vibruje, jsou vytˇesnˇeny sousedn´ı ˇc´astice, coˇz je zn´am´e jako ˇc´asticov´e kmit´an´ı. Ultrazvuk jsou zvukov´e vlny, kter´e nejsou lidsk´ym uchem slyˇsiteln´e. Pouˇz´ıv´a se ke zkoum´an´ı mˇekk´ych tk´an´ı anatomick´ych struktur v cel´em tˇele a jeho frekvence je v rozsahu 1 aˇz 10 MHz. U l´ekaˇrsk´eho ultrazvuku je vibraˇcn´ım zdrojem keramick´y prvek v mˇeniˇci, kter´y vibruje v odpovˇedi na elektrick´y sign´al. 9

Vibraˇcn´ı pohyb keramick´eho prvku v mˇeniˇci zp˚ usobuje, ˇze ˇc´astice v okol´ı tk´anˇe vibruj´ı. Jak zdroj vibruje, t´ım se periodicky stlaˇcuje a t´ahne pryˇc od pˇrilehl´e l´atky a doch´az´ı tak ke kompresi a expanzi (ˇredˇen´ı) ˇc´astic v m´ediu (viz obr. 1.3) . Tento pohyb energie prostˇrednictv´ım anatomick´ych struktur se naz´yv´a vlna. Pacienti jsou vyˇsetˇrov´ani mˇeniˇcem, jenˇz pˇrev´ad´ı energii elektrickou na mechanickou. Pˇri pr˚ uchodu zvukov´ym svazkem v tˇele pod r˚ uzn´ymi u ´ hly nast´av´a reflexe, absorpce a rozptyl a zp˚ usob´ı, ˇze vr´acen´y sign´al bude slabˇs´ı neˇz p˚ uvodn´ı impuls. I pˇres kr´atkou periodu se z´ısk´a v´ıcero anatomick´ych obraz˚ u v re´aln´em ˇcase. [5]

Obr´azek 1.3: Zhuˇstˇen´ı a ˇredˇen´ı ˇc´astic

1.3.1

Zvukov´ e vlny

Vlna je ˇs´ıˇren´ı energie, kter´a se pohybuje tam a zpˇet nebo vibruje stabiln´ım tempem. Zvukov´e vlny jsou mechanick´e kmity, kter´e jsou pˇren´aˇseny ˇc´asteˇckami v plynu, kapalinˇe nebo pevn´e l´atce. Generov´an´ım z extern´ıho zdroje se pˇren´aˇs´ı vibrace o vysok´ych mechanick´ych frekvenc´ıch vyˇsˇs´ıch neˇz 20 kilohertz˚ u (kHz) skrz l´atku. Vlny jsou generov´any za periodu ˇcasu a doba potˇrebn´a k tvorbˇe kaˇzd´e periody z´avis´ı na frekvenci mˇeniˇce. Frekvence je rovna poˇctu period za sekundu u zdroje zvuku a ˇc´astic v m´ediu. Rychlost vlny z´avis´ı na vlastnostech l´atkov´eho prostˇred´ı. Existuje mnoho forem pohybov´e energie v podobˇe vln, jako napˇr´ıklad zvuk. Obecnˇe ˇreˇceno existuj´ı dva typy vln: mechanick´e (zvukov´e vlny) a elektromagnetick´e (x-paprsky nebo svˇeteln´e vlny). Mechanick´e vlny jsou charakterizov´any fyzik´alnˇe pohybem ˇc´astic v prostˇred´ı a neˇs´ıˇr´ı se ve vakuu. Z ˇcehoˇz vypl´yv´a, 10

proˇc se pouˇz´ıv´a gel mezi sondou a pokoˇzkou. Na druh´e stranˇe, elektromagnetick´e vlny se ve vakuu ˇs´ıˇr´ı. Pod´ eln´ e vlnˇ en´ı Ultrazvuk je forma neionizuj´ıc´ıho z´aˇren´ı, ve kter´em jsou pod´eln´e tlakov´e vlny o vysok´e frekvenci pˇren´aˇseny prostˇred´ım. Tyto vlny jsou tvoˇreny kmit´an´ım ˇc´astic ˇ ast molekul je k sobˇe stlaˇcen´a nebo molekul rovnobˇeˇznˇe s osou ˇs´ıˇren´ı vln. C´ bl´ıˇze a ˇc´ast podstoup´ı expanzi nebo-li ˇredˇen´ı, dle kter´eho jsou molekuly posunuty d´al od sebe. Spolu s vlnov´ymi vlastnostmi, jako je frekvence a intenzita, prostˇred´ı, ve kter´em je zvuk pˇren´aˇsen, je hlavn´ım pˇrispˇevatelem pˇri definov´an´ı vlastnost´ı pˇrenosu ultrazvuku. Prostˇred´ı lze nejl´epe pochopit ve formˇe jeho modulu pruˇznosti a vlastnostmi akustick´e impedance. Modul objemov´e pruˇznosti je mnoˇzstv´ı tlaku nutn´eho ke kompresi mal´eho mnoˇzstv´ı materi´alu. Zejm´ena pak stlaˇcitelnost nebo hustota materi´alu urˇcuje, jak´ym zp˚ usobem je zvuk pˇren´aˇsen v materi´alu. Vlnov´ a d´ elka Jak bylo zm´ınˇeno v pˇredeˇsl´e ˇc´asti, zvukov´a vlna t´ahne a tlaˇc´ı na v´ıce struktur ve smˇeru jej´ıho ˇs´ıˇren´ı zp˚ usobuj´ıc´ı komprese a ˇredˇen´ı. Zvukov´a vlna je doprov´azena kol´ıs´an´ım tlaku. Vlnov´a d´elka je vzd´alenost mezi dvˇema vrcholy v pr˚ ubˇehu ˇcasu (viz obr. 1.4). Vlnov´a d´elka pˇredstavuje vzd´alenost opakuj´ıc´ı se v kaˇzd´e periodˇe, provozn´ı frekvenci sn´ımaˇce a rychlosti zvuku. Vlnov´a d´elka je nepˇr´ımo u ´ mˇern´a frekvenci, coˇz znamen´a, ˇze ˇc´ım vyˇsˇs´ı je frekvence, t´ım kratˇs´ı m´a vlnovou d´elku. Naopak delˇs´ı vlnov´a d´elka m´a kratˇs´ı frekvenci. Tlak amplitudy je mnoˇzstv´ı, kterou tlak zv´yˇs´ı nebo sn´ıˇz´ı v prostˇred´ı, ve kter´em se ˇs´ıˇr´ı zvukov´a vlna. Kdyˇz se energie zvukov´e vlny zv´yˇs´ı, tak se zv´yˇs´ı i tlak amplitudy. Tlak amplitudy se mˇeˇr´ı v jednotk´ach zvan´ych pascal (Pa) nebo megapascal (MPa). Rychl´ym stˇr´ıd´an´ım tlak˚ uv mal´ych objemech m˚ uˇze doj´ıt k mechanick´emu poruˇsen´ı r˚ uzn´ych materi´al˚ u. Pokud je frekvence vyˇsˇs´ı, kles´a d´elka pulsu, ˇc´ımˇz je dosaˇzeno poklesu hloubky ostrosti. Mˇ eˇ ren´ı zvuku Jednotka decibel je ˇcasto pouˇz´ıv´ana k mˇeˇren´ı intenzity amplitudy a v´ykonu ultrazvukov´e vlny. Decibely umoˇzn ˇ uj´ı obsluze ultrazvuku porovnat intenzitu nebo amplitudu dvou sign´al˚ u. V´ykon ud´av´a mnoˇzstv´ı pr´ace vykonan´e za jednotku ˇcasu. V´ykon vyjadˇruje

11

rychlost proudˇen´ı energie v cel´em svazku zvuku a je ˇcasto mˇeˇren ve wattech (W) nebo milliwatech (mW). Intenzita je definov´ana jako v´ykon za jednotku plochy. Je to rychlost toku energie v cel´e vymezen´e oblasti svazku a lze ji mˇeˇrit ve wattech na metr ˇctvereˇcn´ı (W/m2 ) nebo miliwattech na centimetr ˇctvereˇcn´ı. V´ykon a intenzita spolu souvis´ı: Pokud zdvojn´asob´ıme v´ykon, intenzita se zdvojn´asob´ı. Intenzita se tak´e vztahuje k amplitudˇe tlaku a je pˇr´ımo u ´ mˇern´a druh´e mocninˇe amplitudˇe tlaku: Pokud zdvojn´asob´ıme amplitudu, intenzita se zvyˇs´ı ˇctyˇrikr´at. Frekvence Zvuk je vztaˇzen k jeho frekvenc´ı. Frekvence m˚ uˇze b´yt vysvˇetlena dle n´asleduj´ıc´ı analogie. Jestliˇze pohybujeme tyˇckou dovnitˇr a ven z jez´ırka ve st´al´e rychlosti, cel´y povrch vody m˚ uˇze b´yt pokryt paprskovit´ymi vlnami. Jestliˇze je poˇcet vibrac´ı proveden´ych v kaˇzd´e sekundˇe poˇc´ıt´an, m˚ uˇzeme frekvenci tˇechto vibrac´ı urˇcit. V ultrazvuku se frekvence vztahuje na poˇcet kmit˚ u za sekundu proveden´ych ˇc´asticemi v prostˇred´ı, kter´ym vlna ˇs´ıˇr´ı. Obsluha ultrazvuku by mˇela zn´at z´akladn´ı jednotky pouˇz´ıvan´e v t´eto oblasti. [5], [7]

Obr´azek 1.4: Vlnov´a d´elka je nepˇr´ımo u ´ mˇern´a frekvenci

12

1.3.2

ˇ ıˇ S´ ren´ı ultrazvuku tk´ anˇ emi

Rychlost ultrazvuku Hustota a pruˇznost prostˇred´ı ovlivˇ nuje rychlost ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku dan´ym prostˇred´ım ˇıˇr´ı se v plynech pomalu, rychleji v tekutin´ach a nejrycha v´yraznˇe se v nich liˇs´ı. S´ leji v pevn´ych l´atk´ach. Avˇsak rozd´ıly v ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku v r˚ uzn´ych mˇekk´ych tk´an´ıch jsou velmi mal´e. Vzduchem vyplnˇen´e prostˇred´ı jako napˇr´ıklad pl´ıce ˇci ˇzaludek anebo plynem vyplnˇen´e prostˇred´ı jako napˇr´ıklad stˇrevo, br´an´ı pr˚ uchodu ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku. Stejnˇe tak kosti tlum´ı ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku. Pouˇzit´ı vysok´ych frekvenc´ı se u ultrazvuku daj´ı rozliˇsit i velmi mal´e rozd´ıly mezi tukem, krv´ı a tk´anˇemi org´an˚ u. Tuhost a hustota prostˇred´ı urˇcuje, jak rychle se vlny budou ˇs´ıˇrit dan´ym prostˇred´ım (viz obr. 1.5).

Obr´azek 1.5: Rychlost ˇs´ıˇren´ı v tk´an´ıch Piezoelektrick´ y jev Svazek, kter´y se pouˇz´ıv´a v ultrazvukov´e diagnostice, je vytv´aˇren mˇeniˇcem s piezoelektrick´ym efektem. Mˇeniˇc pˇrev´ad´ı jeden druh energie na jin´y (napˇr´ıklad elektrickou energii na mechanick´e zvukov´e vlny). Bratˇri Curie tento jev poprv´e popsali v roce 1880. Vypozorovali, ˇze u urˇcit´ych krystal˚ u, jako je napˇr´ıklad kˇremen, kter´e jsou mechanicky deformov´any, se potenci´aln´ı rozd´ıl vyv´ıj´ı napˇr´ıˇc povrchy krystal˚ u. Pro pouˇzit´ı v l´ekaˇrstv´ı (pro ultrazvukov´e aplikace) byly vyvinuty keramick´e krystaly, kter´e mohou b´yt modelov´any do r˚ uzn´ych tvar˚ u a velikost´ı. Rezonanˇcn´ı frekvence kaˇzd´eho krystalu se odv´ıj´ı od jeho tlouˇst’ky. Ve vˇetˇsinˇe diagnostick´ych 13

aplikac´ı se pro optim´aln´ı rozliˇsen´ı uˇz´ıv´a kr´atk´ych pˇreruˇsovan´ych ultrazvukov´ych vln. Vyslan´y impuls proch´az´ı tk´anˇemi a naraz´ı-li na rozhran´ı, odraz´ı se ˇc´ast jeho energie. Odraˇzen´a vlna dopadne na piezokrystal, zp˚ usob´ı drobnou deformaci a vznik napˇet´ı. Odraz (echo) Jsou zn´am´e dva z´akladn´ı reˇzimy provozu sn´ımaˇce, kter´e se pouˇz´ıvaj´ı v l´ekaˇrsk´ych diagnostick´ych aplikac´ı: nepˇreruˇsov´an´a a pˇreruˇsov´an´a vlna. U pˇr´ıstroj˚ u, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Doppler˚ uv jev, se pouˇz´ıv´a obou vln. U pˇr´ıstroj˚ u pracuj´ıc´ıch v re´aln´em ˇcase se pouˇz´ıv´a pouze pulzn´ı echo funkce, coˇz znamen´a, ˇze jsou vysl´any kr´atk´e shluky energie zvuku a pot´e jsou vr´acen´e informace o odrazu zaznamen´any. Pˇrijat´y sign´al je pˇreveden na elektrick´y sign´al a vrac´ı se do sn´ımaˇce (viz obr. 1.6). Ultrazvukov´a zaˇr´ızen´ı mˇeˇr´ı ˇcas potˇrebn´y pro pˇr´ıjem echa po kaˇzd´em vyslan´em impulsu. Syst´em zaznamen´av´a dr´ahu impulz˚ u tam i zpˇet, ˇc´ımˇz se urˇc´ı vzd´alenost k r˚ uzn´ym reflektor˚ um.

Obr´azek 1.6: Pohyb smˇerem k vyˇsetˇrovac´ı sondˇe zvyˇsuje frekvenci odraˇzen´eho sign´alu. Akustick´ a impedance Akustick´a impedance je vlastnost´ı l´atky, kter´a ovlivˇ nuje s´ılu nebo amplitudu odraˇzen´ych ech. Je opakem akustick´ych vibrac´ı ˇc´astic v prostˇred´ıch. Ultrazvu14

kov´a vlna je velmi podobn´a svˇeteln´emu paprsku v tom, ˇze m˚ uˇze b´yt zamˇeˇrena, l´am´ana, odr´aˇzena nebo rozpt´ylena na rozhran´ıch mezi r˚ uzn´ymi prostˇred´ımi. Na rozhran´ı dvou prostˇred´ı s r˚ uzn´ymi akustick´ymi vlastnostmi, se m˚ uˇze ultrazvukov´y paprsek odr´aˇzet v z´avislosti na rozd´ılu akustick´e impedance mezi dvˇema prostˇred´ımi a u ´ hlem, pˇri kter´em paprsek dopad´a na rozhran´ı (´ uhel dopadu). U biologick´ych tk´an´ı, s v´yjimkou tk´anˇe naplnˇen´e vzduchem a kostmi, jsou rozd´ıly akustick´e impedance tak n´ızk´e, ˇze se pouze mal´a ˇc´ast ultrazvukov´eho paprsku odr´aˇz´ı na kaˇzd´em rozhran´ı. Pl´ıce a stˇrevo maj´ı na ultrazvukov´y paprsek odliˇsn´y efekt, zp˚ usobuj´ıc´ı ˇspatn´y pˇrenos zvuku. Kostmi se zvuk ˇs´ıˇr´ı mnohem rychleji neˇz v mˇekk´ych tk´an´ıch. Bˇeˇzn´a rychlost zvuku mˇekk´ymi tk´anˇemi je 1540 m/s. Pˇri pr˚ uchodu tˇelem se vˇetˇs´ı ˇc´ast zvukov´eho svazku pohlt´ı nebo rozpt´yl´ı a nastane v´yrazn´y u ´ tlum. Zvuk se odr´aˇz´ı v z´avislosti na akustick´e impedanci. Akustick´a impedance souvis´ı s hustotou tk´anˇe; ˇc´ım vˇetˇs´ı je rozd´ıl v hustotˇe mezi dvˇema strukturami, t´ım silnˇejˇs´ı jsou odraˇzen´a echa vymezuj´ıc´ı hranice mezi dvˇema strukturami na ultrazvukov´em obrazu. Vˇetˇsina zvuku proch´az´ı do tk´an´ı hloubˇeji a odr´aˇz´ı se na jin´ych rozhran´ıch. Akustick´a impedance je souˇcin rychlosti zvuku v prostˇred´ı a hustoty tohoto prostˇred´ı. Akustick´a impedance se zvyˇsuje, pokud se zv´yˇs´ı hustota nebo rychlost. Odraz ultrazvuku Detekovan´e jsou zpravidla kolmo odraˇzen´e paprsky, pˇriˇcemˇz u ´ hel odrazu se rovn´a u ´ hlu dopadu. K tomu doch´az´ı na vˇetˇsinˇe zrcadlov´ych rozhran´ı, kde je rozhran´ı hladk´e a jehoˇz rozmˇery jsou vˇetˇs´ı neˇz je vlnov´a d´elka (viz obr. 1.7). Neodraˇzen´y ultrazvuk se pˇren´aˇs´ı pˇres rozhran´ı. K lomu m˚ uˇze doj´ıt, pokud u ´ hel dopadu nen´ı nulov´y a v pˇr´ıpadˇe, ˇze rychlosti ultrazvuku z obou materi´al˚ u tvoˇr´ıc´ıch rozhran´ı, nejsou stejn´e. non zrcadlov´e reflektory jsou rozhran´ı, kter´a jsou menˇs´ı neˇz vlnov´a d´elka, nebo nen´ı plynul´y. Pˇr´ıkladem jsou ˇcerven´e krvinky a jatern´ıho parenchymu.

15

Obr´azek 1.7: Odraz zvukov´e vlny nast´av´a na rozhran´ı mezi dvˇema objekty s odliˇsnou akustickou impedanc´ı a zp˚ usob´ı, ˇze se ˇc´ast energie pohlt´ı a ˇc´ast se odraz´ı. ´ Utlum Souˇcet akustick´ych energetick´ych ztr´at, jako je absorpce, rozptyl a reflexe se naz´yv´a u ´ tlum. Pˇri pr˚ uchodu l´atkou doch´az´ı ke sn´ıˇzen´ı intenzity a amplitudy vlˇ ım hloubˇeji ny, kdy se ˇc´ast energie se vstˇreb´av´a, ˇc´ast se odr´aˇz´ı nebo rozptyluje. C´ pronik´a vlna tˇelem, t´ım postupnˇe sl´abne. V lidsk´e mˇekk´e tk´ani je u ´ tlum ve v´yˇsi 0,5 dB/cm za milion hertz˚ u. Pokud je tk´an ˇ vyplnˇena vzduchem nebo spojena s kost´ı je i v´ıce energie utlumeno. Napˇr´ıklad ˇzluˇcov´y k´amen se na ultrazvukov´em obrazu jev´ı jako st´ın s ostr´ymi okraji. Rozliˇ sen´ı obrazu Rozliˇsen´ı je schopnost oddˇelit od sebe nejmenˇs´ı odrazov´e plochy. Osov´e rozliˇsen´ı je takov´e, kdy se odliˇs´ı dva samostatn´e objekty leˇz´ıc´ı v ose ultrazvukov´eho paprsku. Boˇcn´ı rozliˇsen´ı je rozliˇsen´ı objekt˚ u v rovinˇe kolm´e k ose ultrazvukov´eho paprsku. Je mˇeˇr´ıtkem schopnosti syst´emu detekovat u ´ zce oddˇelen´e pˇredmˇety, jako jsou pˇrilehl´e c´evy a je ovlivnˇeno pr˚ umˇerem a zaostˇrov´an´ım mˇeniˇce. [5]

1.4

Historick´ y pˇ rehled zvuku a ultrazvuku

Kdyˇz Pythagoras vynalezl sonometr, n´astroj pouˇz´ıvan´y ke studiu hudebn´ıho zvuˇ ku, Rekov´ e jako prvn´ı popsali vztah mezi intenzitou zvuku a frekvenc´ı a to 500 let 16

pˇred Kristem. O p´ar stovek let pozdˇeji, v roce 1500, objevil Leonardo da Vinci, ˇze se zvuk ˇs´ıˇr´ı ve vln´ach a tak´e, ˇze u ´ hel odrazu je stejn´y jako u ´ hel dopadu. V roce 1638 Galileo demonstroval, ˇze frekvence zvukov´ych vln ovlivˇ nuje intenzitu. Isaac Newton zveˇrejnil teorii o rychlosti zvuku a Robert Boyle zveˇrejnil teorii pruˇznosti vzduchu. Mezi dalˇs´ı d˚ uleˇzit´e mezn´ıky historie ve studiu zvuku patˇr´ı: • 1793 Lazzaro Spallanzani, italsk´y knˇez a pˇr´ırodovˇedec, studoval aktivitu up´ır˚ u a teorii, ˇze up´ıˇri pouˇz´ıvaj´ı nˇeco, co nelze slyˇset • 1794 Augustin Fresnel uvedl teorii o difrakci zvuku. Francis Galton vynalezl ultrazvukovou p´ıˇst’alku. • 1880 Jacques a Pierre Curie sledovali fenom´em piezoelektricity. Zjistili, ˇze se urˇcit´e krystaly pˇri vloˇzen´ı do stˇr´ıdav´eho elektrick´eho pole m´ırnˇe smrˇst’uj´ı a roztahuj´ı. Obr´acen´a piezoelektricita umoˇzn ˇ uje stejn´ym krystal˚ um vytv´aˇret elektrick´y potenci´al a dˇel´a z tˇechto krystal˚ u vhodn´e zdroje zvukov´ych vln, od slyˇsiteln´ych po ultrazvukov´e frekvence. • 1890 Lord Rayleigh napsal knihu Teorie zvuku. • 1900 Paul Langevin studioval frekvenci a intenzitu zvuku a objevil cestu, jak patˇriˇcnˇe vyuˇz´ıt echogenn´ı zvukov´e vlny k detekci podvodn´ıch objekt˚ u. Tato vˇec je zn´ama pod n´azvem SONAR. • 1938 G. W. Pierce vynalezl zvukov´y detektor, kter´y je schopen zachytit vibrace o vysok´ych frekvenc´ıch u netop´yr˚ u a pˇremˇenit je na slyˇsiteln´y zvuk. Floyd Firestone vynalezl ultrazvukov´y pˇr´ıstroj pod n´azvem Reflektoskop k detekci vad a ˇcist´ıc´ı pˇr´ıstroj. Pˇredstavitelem ultrazvukov´e diagnostiky byl l´ekaˇr Karl Theodor Dussik, kter´y se narodil v roce 1908 v Rakousku. Jeho pr´ace spoˇc´ıvaly pˇredevˇs´ım ve v´yzkumu vyˇsetˇrov´an´ı mozku ˇclovˇeka pomoc´ı ultrazvuku. V roce 1942 vydal svou prvn´ı knihu o t´eto diagnostice. Ultrazvuk, jako diagnostick´a metoda, byl poprv´e vyzkouˇsen´y v praxi v roce 1957, v roce 1958 byl testov´an tak´e v oblasti gynekologie a porodnictv´ı, resp. se zamˇeˇren´ım na tˇehotn´e. [5], [18] 17

2. Ultrazvuk v optick´ e praxi 2.1

ˇ stˇ Ciˇ en´ı ultrazvukem

Ultrazvukov´e ˇciˇstˇen´ı je nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı aplikac´ı ultrazvuku a m´a celou ˇradu v´yhod. Zejm´ena je to rychlost ˇcist´ıc´ıho procesu, nebot’ potˇrebn´a doba se zkracuje na jednotky, maxim´alnˇe des´ıtky minut. Kvalita ˇciˇstˇen´ı je pˇri spr´avnˇe zvolen´em ˇcist´ıc´ım m´ediu vynikaj´ıc´ı. Pro ultrazvuk neexistuj´ı nepˇr´ıstupn´a m´ısta, stejnˇe dobˇre vyˇcist´ı tvarovˇe sloˇzit´y pˇredmˇet i slep´y otvor. D´ıky z´akonitostem ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku v kapalin´ach je moˇzn´e ˇcistit pˇredmˇety jin´ymi technologiemi ˇcistiteln´e jen velice obt´ıˇznˇe, pˇr´ıpadnˇe v˚ ubec. Odpad´a tak´e nam´ahav´a a nepˇr´ıjemn´a manu´aln´ı pr´ace, zb´yv´a pouze vloˇzen´ı ˇciˇstˇen´eho pˇredmˇetu do ultrazvukov´e vany a po ukonˇcen´ı procesu jeho vyjmut´ı. Vlastn´ı ultrazvukov´e ˇciˇstˇen´ı je energeticky pomˇernˇe nen´aroˇcn´e, nejvˇetˇs´ı ˇc´ast energie se spotˇrebuje na ohˇrev l´aznˇe. S v´yjimkou u ´ zce specifick´ych obor˚ u se dnes pouˇz´ıvaj´ı netoxick´a, nehoˇrlav´a, biologicky odbourateln´a ˇcist´ıc´ı ˇ ıc´ı proces m´edia na b´azi vodn´ych roztok˚ u modern´ıch ˇcist´ıc´ıch prostˇredk˚ u. Cist´ je moˇzno kombinovat i s odmaˇst’ov´an´ım, pˇr´ıpadnˇe s dezinfekc´ı. ˇ stˇen´ı ultrazvukem se pouˇz´ıv´a vˇsude tam, kde je kladen velk´y d˚ Ciˇ uraz na fin´aln´ı ˇcistotu, coˇz je napˇr´ıklad i v oftalmologii pˇri intenzivn´ım myt´ı chirurgick´ych a l´ekaˇrsk´ych n´astroj˚ u, mikroinstrument˚ u, endoskop˚ u a dalˇs´ıch chirurgick´ych n´astroj˚ u, s´ıtek apod. pˇred sterilizac´ı. ˇ stˇen´ı ultrazvukem pˇri dezinfekci n´astroj˚ Ciˇ u se pouˇz´ıv´a k doplnˇen´ı mechanick´e oˇcisty po pˇredchoz´ım ruˇcn´ım nebo strojov´em myt´ı. Ultrazvukov´a ˇcistiˇcka pracuje na principu kavitace. Vlastn´ı ˇciˇstˇen´ı prob´ıh´a p˚ usoben´ım ultrazvukov´ych vln ´ cinnˇe odstraˇ pˇri frekvenci 35 kHz, teplotˇe 42 ◦ C po dobu 2–5 minut. Uˇ nuje ulpˇel´e anorganick´e inkrustace, soli, tk´an ˇ ovou a organickou drt’ z nepˇr´ıstupn´ych m´ıst. Po ˇciˇstˇen´ı ultrazvukem se n´astroje opl´achnou destilovanou vodou nebo demineralizovanou vodou, osuˇs´ı a oˇsetˇr´ı parafinov´ym olejem. Nelze vˇsak ˇcistit endoskopy s optikou, ˇc´asti motorov´ych syst´em˚ u. Pˇri pouˇzit´ı ultrazvuku se ˇcas ˇciˇstˇen´ı v´yraznˇe zkracuje. Kvalita ˇciˇstˇen´ı je porovn´an´ı s klasick´ymi zp˚ usoby zˇreteln´e zv´yˇsen´ı kvality, odstranˇen´ı nam´ahav´e pr´ace, moˇznost ˇciˇstˇen´ı otvor˚ u i v mal´ych prostorech ˇci tvarovˇe sloˇzit´ych pˇredmˇet˚ u. [20], 18

[22] [23] Ultrazvukov´ aˇ cistiˇ cka Ultrazvukov´a ˇcistiˇcka umoˇzn ˇ uje pohodln´e ˇciˇstˇen´ı d´ıky jemn´ym vibrac´ım tekutiny, do kter´e se ˇciˇstˇen´e pˇredmˇety ponoˇruj´ı. Ultrazvukov´e ˇcistiˇcky jsou v souˇcasn´e dobˇe jedn´ım z nejefektivnˇejˇs´ıch a nejˇsetrnˇejˇs´ıch zaˇr´ızen´ı k ˇciˇstˇen´ı a odmaˇst’ov´an´ı. Ultrazvukov´e ˇciˇstˇen´ı je modern´ı, velice rychl´y a progresivn´ı zp˚ usob odstraˇ nov´an´ı organick´ych i neorganick´ych volnˇe v´azan´ych neˇcistot z povrch˚ u. Pˇri provozu ultrazvukov´eho zdroje vznik´a jev zvan´y kavitace, pˇri kter´em se v ˇcist´ıc´ım m´ediu vytv´aˇr´ı miliony mikroskopick´ych bublinek, kter´e vz´apˇet´ı imploduj´ı a uvolnˇen´a energie strh´av´a neˇcistoty z povrchu ˇciˇstˇen´eho pˇredmˇetu z jeho vnˇejˇs´ıch i vnitˇrn´ıch ˇc´ast´ı. ˇ stˇen´e pˇredmˇety se ultrazvukem mechanicky nepoˇskozuj´ı. Ultrazvukov´e ˇcistiˇcky Ciˇ spolehlivˇe vyˇcist´ı i ˇclenit´e povrchy. Proces ˇciˇstˇen´ı trv´a od nˇekolika sekund do nˇekolika minut, v z´avislosti na m´ıˇre, zp˚ usobu a druhu zneˇciˇstˇen´ı povrchu. [23] [24]

Obr´azek 2.1: Ultrazvukov´a ˇcistiˇcka, pˇrevzato z [21]

19

2.1.1

Princip a z´ akladn´ı pojmy

Princip ˇ ciˇ stˇ en´ı ultrazvukem Princip ˇciˇstˇen´ı v ultrazvukov´e ˇcistiˇcce je zaloˇzen na principu kavitace. Pˇri rozsahu frekvence 20 aˇz 40 kHz jde o velmi rychl´e ˇciˇstˇen´ı velk´ych neˇcistot, v rozsahu 40 aˇz 70 kHz jde o jemnˇejˇs´ı ˇciˇstˇen´ı a pro rozsah od 70 do 200 kHz hovoˇr´ıme o nejjemnˇejˇs´ım ˇciˇstˇen´ı. Ultrazvukov´a ˇcist´ıc´ı sada se skl´ad´a z ultrazvukov´eho gener´atoru, ultrazvukov´ych mˇeniˇc˚ u – z´aˇriˇc˚ u a ˇcist´ıc´ı vany. Mˇeniˇce mohou b´yt um´ıstˇeny na vnˇejˇs´ıch stˇen´ach ˇci na dnˇe vany nebo se ˇreˇs´ı jako ponorn´e. Vlastn´ı vana je zhotovena ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u ze speci´aln´ı nerezov´e oceli, nebot’ mus´ı odol´avat jak u ´ˇcink˚ um ultrazvuku, tak ˇcist´ıc´ıho m´edia a pˇri urˇcit´e kombinaci m´edia a ˇciˇstˇen´ych kov˚ u je zatˇeˇzov´ana i elektrochemick´ymi jevy. V pˇr´ıpadˇe pouˇzit´ı m´enˇe kvalitn´ı nerezov´e oceli, je nutn´e, aby byl vnitˇrek vany opatˇren vrstvou tvrd´eho chromu. Podle proveden´ı se ultrazvukov´e myˇcky dˇel´ı na dvˇe kategorie: Kompaktn´ı – ˇcist´ıc´ı n´adoby se zabudovan´ym gener´atorem. Vˇetˇsinou se vyr´ab´ı do objemu 50 litr˚ u, jsou pˇrenosn´e a pouˇz´ıvaj´ı se jako univerz´aln´ı pro r˚ uzn´a ˇcist´ıc´ı m´edia i u ´ˇcely. S oddˇelen´ym gener´atorem – maj´ı vˇetˇs´ı objem neˇz kompaktn´ı, jsou ˇreˇseny sp´ıˇse jedno´ uˇcelovˇe a ˇcasto jsou souˇc´ast´ı dalˇs´ıho zaˇr´ızen´ı. K nap´ajen´ı jejich z´aˇriˇc˚ u m˚ uˇze b´yt pouˇzito i v´ıce ultrazvukov´ych gener´ator˚ u. Kavitace M´a-li ultrazvuk dostateˇcnou intenzitu, vyvol´av´a pˇri pr˚ uchodu kapalinou jev zvan´y kavitace. Ta se projevuje intenzivn´ım kmit´an´ım ˇc´asteˇcek kapaliny a vznikem a pˇri opaˇcn´e polaritˇe z´anikem mikroskopick´ych bublinek, kter´e neobsahuj´ı ”nic”, respektive se jedn´a o bubliny obsahuj´ıc´ı vakuum. Tyto bublinky se shlukuj´ı a zvˇetˇsuj´ı tak svou velikost, aˇz se dostanou na takovou velikost, kter´a je maxim´alnˇe u ´ nosn´a pro jejich existenci a pokud se i nad´ale zvˇetˇsuj´ı, doch´az´ı k implozi (zhroucen´ı se do sebe). Imploz´ı, kter´e vznikaj´ı v kapalinˇe rozechv´ıvan´e ultrazvukov´ym gener´atorem, prob´ıh´a v jednom okamˇziku stovky tis´ıc ˇci miliony a tyto imploze prob´ıhaj´ı i pˇr´ımo na povrchu pˇredmˇetu. V nejbliˇzˇs´ım okol´ı doch´az´ı k

20

prudk´emu vzestupu teploty, tlaku a zrychlen´ı. Tyto jevy v´yraznˇe naruˇsuj´ı mechanickou vazbu neˇcistot na povrchu ˇciˇstˇen´eho pˇredmˇetu a ve spojen´ı s vhodn´ym ˇcist´ıc´ım m´ediem doch´az´ı k jejich odplavov´an´ı. Kavitaˇcn´ı proces prob´ıh´a nejl´epe za zv´yˇsen´e optim´aln´ı teploty v rozmez´ı od 50 ◦ C do 65 ◦ C v z´avislosti na v´ychoz´ım bodu varu ˇcist´ıc´ı kapaliny. Parametry pouˇ z´ıvan´ eho ultrazvuku Pouˇzit´ı ultrazvuku v procesu ˇciˇstˇen´ı je podm´ınˇeno d˚ ukladn´ymi znalostmi jeho podstaty. Ultrazvuk vykon´av´a kmit´an´ı oz´aˇren´eho m´edia, kter´e i pˇri relativnˇe mal´e amplitudˇe 0,005 – 0,1 mm dosahuje velk´e rychlosti, pˇredevˇs´ım vˇsak velk´eho zrychlen´ı. Mezi sekund´arn´ı u ´ˇcinky kmit´an´ı patˇr´ı kavitace, vznik tepla, akustick´e proudˇen´ı, u ´ nava a deformace materi´alu, redukce tˇren´ı, radiaˇcn´ı tlaky a podobnˇe. Rozsah sekund´arn´ıch u ´ˇcink˚ u ultrazvuku z´avis´ı pˇredevˇs´ım na intenzitˇe a frekvenci pouˇzit´e ultrazvukov´e energie a fyzik´aln´ıch vlastnost´ı oz´aˇren´eho m´edia. Ultrazvukov´a energie vyˇsˇs´ı intenzity - nad 0,5 W.cm−2 ovlivˇ nuje vlastnosti, tedy strukturu oz´aˇren´eho media. Na b´azi ultrazvukov´e energie s intenzitou nad 0,5 W.cm−2 se rozvinuly aplikace tzv. v´ykonov´eho ultrazvuku (aktivn´ıho ultrazvuku) v technologick´ych procesech ˇciˇstˇen´ı, sv´aˇren´ı, obr´abˇen´ı, tv´aˇren´ı a v chemicko-technologick´ych procesech. [22], [23], [25], [26]

2.1.2

ˇ Cistic´ ı proces

Volba kapaliny Volba pracovn´ı kapaliny (ˇcistic´ıho m´edia) je jedn´ım z nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch faktor˚ u, ˇ stˇen´ı je v podstatˇe fyzik´alnˇe-chemick´y kter´y m´a vliv na ultrazvukov´e ˇciˇstˇen´ı. Ciˇ proces, jenˇz prob´ıh´a na rozhran´ı povrchu ˇciˇstˇen´eho pˇredmˇetu a kapaliny. Kapalina rozpouˇst´ı neˇcistoty, respektive s nimi reaguje a volba ˇcistic´ıho m´edia z´avis´ı od druhu neˇcistoty a materi´alu ˇciˇstˇen´eho pˇredmˇetu. Mnoho ˇcist´ıc´ıch proces˚ u je nejefektivnˇejˇs´ıch pˇri vyˇsˇs´ıch teplot´ach, coˇz u nˇekter´ych zaˇr´ızen´ı umoˇzn ˇ uje pˇr´ıdavn´e topen´ı. D´ale tak´e ˇcistic´ı chemick´e roztoky podporuj´ı kavitaci, sniˇzuj´ı povrchov´e napˇet´ı vody, uvolˇ nuj´ı a sluˇcuj´ı oddˇelen´e neˇcistoty. Oproti jin´ym ˇcistic´ım metod´am sniˇzuje spojen´ı chemick´eho prostˇredku a ultrazvuku d´elku ˇcist´ıc´ıho procesu aˇz o 90 %. V z´avislosti na zneˇciˇstˇen´ı trv´a proces nˇekolik minut. 21

Pracovn´ı frekvence Niˇzˇs´ı frekvence (napˇr´ıklad 20 kHz), kter´e vytv´aˇr´ı bublinky s vˇetˇs´ım pr˚ umˇerem a silnˇejˇs´ı tlakov´e vlny se pouˇz´ıvaj´ı pro ˇciˇstˇen´ı vˇetˇs´ıch, silnˇe zneˇciˇstˇen´ych pˇredmˇet˚ u. Vyˇsˇs´ı frekvence (napˇr´ıklad 35 kHz), vytv´aˇr´ı vˇetˇs´ı poˇcet menˇs´ıch bublinek, kter´e se uˇz´ıv´a pro intenzivn´ı, ale jemnˇejˇs´ı ˇciˇstˇen´ı. Ovlivnˇ en´ı ˇ cist´ıc´ıho procesu Objem ˇ cist´ıc´ı vany – je tˇreba volit takov´y, aby byly ˇciˇstˇen´e pˇredmˇety dokonale ponoˇren´e. Pro efektivn´ı vyuˇzit´ı u ´ˇcink˚ u ultrazvuku nesm´ı hmotnost ˇciˇstˇen´eho pˇredmˇetu pˇres´ahnout polovinu hmotnosti ˇcist´ıc´ı l´aznˇe. V opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe nelze zaruˇcit kvalitu a dobu ˇciˇstˇen´ı. V´ ykon ultrazvukov´ eho gener´ atoru – s objemem vany u ´ zce souvis´ı potˇrebn´y v´ykon gener´atoru. Z´avislost mezi objemem a potˇrebn´ym v´ykonem na jednotku objemu (Watt/litr) nen´ı u ´ mˇern´a, se stoupaj´ıc´ım objemem se potˇrebn´y v´ykon na jednotku objemu sniˇzuje, ovˇsem neline´arnˇe. V extr´emn´ıch pˇr´ıpadech, jako je napˇr´ıklad ˇciˇstˇen´ı rozmˇern´ych a tˇeˇzk´ych monoblok˚ u nebo nedodrˇzen´ı pˇredchoz´ıho bodu, vˇsak m˚ uˇze b´yt potˇrebn´y v´ykon vyˇsˇs´ı. Teplota l´ aznˇ e – dalˇs´ı veliˇcina, maj´ıc´ı vliv na dobu a kvalitu ˇciˇstˇen´ı. Vypl´yv´a z nˇeho, ˇze maxim´aln´ı efekt ultrazvukov´eho ˇciˇstˇen´ı je v rozmez´ı 50–60 ◦C (uvaˇzujeme m´edium na b´azi vody). Pˇri vyˇsˇs´ı teplotˇe sice stoup´a ˇcist´ıc´ı schopnost vˇetˇsiny pouˇz´ıvan´ych chemick´ych pˇr´ıpravk˚ u, ale u ´ˇcinnost ultrazvuku v´yraznˇe kles´a a doch´az´ı ke znaˇcn´emu tepeln´emu nam´ah´an´ı z´aˇriˇc˚ u. Proto se jako horn´ı hranice pro efektivn´ı ˇciˇstˇen´ı ultrazvukem uvaˇzuje teplota 70 ◦ C, ale pro vˇetˇsinu aplikac´ı je i ta zbyteˇcn´a. Kmitoˇ cet ultrazvuku – obecnˇe plat´ı, ˇze niˇzˇs´ı kmitoˇcet m´a vyˇsˇs´ı erozivn´ı u ´ˇcinky a je m´enˇe absorbov´an ˇcist´ıc´ım m´ediem i pˇredmˇety a proto je vhodnˇejˇs´ı pro ˇciˇstˇen´ı objemnˇejˇs´ıch a tˇeˇzˇs´ıch pˇredmˇet˚ u a pro odstraˇ nov´an´ı vˇetˇs´ıho zneˇciˇstˇen´ı. Ultrazvuk vyˇsˇs´ıch kmitoˇct˚ u m´a lepˇs´ı schopnost pronikat i do nejmenˇs´ıch otvor˚ u a sp´ar. Proto b´yv´a volba pracovn´ıho kmitoˇctu ultrazvukov´e ˇcistiˇcky mnohdy urˇcit´ym kompromisem.

22

Odplynˇ en´ a voda – pokud napust´ıte ˇcist´ıc´ı vanu vodou z vodovodn´ıho ˇradu ˇci jin´eho zdroje, obsahuje relativnˇe velk´e mnoˇzstv´ı rozpuˇstˇen´ych plyn˚ u, pˇredevˇs´ım vzduchu. Protoˇze plyn je, na rozd´ıl od kapalin, stlaˇciteln´y, po pˇriveden´ı ultrazvuku zaˇcne pruˇzit a t´ım do znaˇcn´e m´ıry zabr´an´ı vzniku kavitaˇcn´ıch u ´ˇcink˚ u. Proto je tˇreba pro ˇciˇstˇen´ı pouˇz´ıvat odplynˇenou vodu. Tu je moˇzn´e z´ıskat bud’ pouh´ym odst´at´ım, coˇz b´yv´a zdlouhav´e, pˇr´ıpadnˇe chodem zaˇr´ızen´ı napr´azdno, bez ˇciˇstˇen´ych pˇredmˇet˚ u, po dobu des´ıtek minut. Nˇekter´e ultrazvukov´e gener´atory maj´ı proto zvl´aˇstn´ı pracovn´ı reˇzim, oznaˇcovan´y jako odplynˇen´ı, ve kter´em pomoc´ı periodicky se opakuj´ıc´ıch pulz˚ u vytˇesˇ nuj´ı z ˇcist´ıc´ıho m´edia vzduch a dalˇs´ı plyny. [22], [27]

2.2

V´ yhody ˇ ciˇstˇ en´ı ultrazvukem

Ekonomick´ e • Kvalitn´ı ultrazvukov´e ˇciˇstˇen´ı ˇsetˇr´ı penˇeˇzn´ı prostˇredky. ˇ • Zivotnost ˇciˇstˇen´ych produkt˚ u se prodluˇzuje d´ıky jemn´emu ˇciˇstˇen´ı a sniˇzuje se spotˇreba n´ahradn´ıch d´ıl˚ u. • Rychlost ˇciˇstˇen´ı sniˇzuje prodlevy. Dokonalost • Ultrazvukov´y ˇcist´ıc´ı proces je efektivn´ı. • Je dosaˇzeno vysoce kvalitn´ıho ˇcist´ıc´ıho efektu. ˇ stˇen´ı kart´aˇcov´an´ım ˇci otˇerem nen´ı nutn´e. • Ciˇ • Procesem nedoch´az´ı k ˇz´adn´emu poˇskozen´ı ˇciˇstˇen´ych ploch. • Ultrazvuk vyˇcist´ı i ˇclenit´e d´ıly. Ekologick´ e • Jednoduch´a likvidace ekologick´ych ˇcist´ıc´ıch m´edi´ı. • Separ´ator oleje a filtrace prodluˇzuj´ı ˇzivotnost ˇcist´ıc´ıch m´edi´ı.

23

Jednoduchost • Jednoduch´a instalace. • Jednoduch´a obsluha. • Nen´ı nutn´a ˇz´adn´a u ´ drˇzba. • Nen´ı tˇreba speci´aln´ı ˇskolen´ı. [28]

24

3. Ultrazvuk v optometristick´ ea oftalmologick´ e praxi Zobrazovac´ı metody, pˇredevˇs´ım rentgenov´a nebo ultrasonografick´a vyˇsetˇren´ı, se staly d˚ uleˇzit´ym doplˇ nkem klinick´eho vyˇsetˇren´ı velk´eho poˇctu pacient˚ u s bˇeˇzn´ymi nemocemi. Snahy o pouˇz´ıv´an´ı co nejm´enˇe bolestiv´ych technik vedly k v´yrazn´emu rozvoji zobrazovac´ıch technik. Ultrazvukov´e zobrazovac´ı metody jsou zaloˇzeny na odrazu ultrazvukov´ych vln z r˚ uzn´ych tk´an´ı vyˇsetˇrovan´e oblasti, jej´ı detekci, elektronick´em zpracov´an´ı a obrazov´em displeji. Metoda je velmi rychl´a a v´ysledek je ihned k dispozici. Sign´alem je kr´atk´y ultrazvukov´y impuls vyslan´y do tk´anˇe elektroakustick´ym mˇeniˇcem, jenˇz se na rozhran´ıch odr´aˇz´ı. Tyto odrazy neboli echa nesou informaci o prostˇred´ı, kter´ym ultrazvukov´y impuls proˇsel a jsou stejn´ym mˇeniˇcem zachyceny, zpracov´any a zobrazeny na obrazovce. Tato metoda dostala n´azev echografie. Pouˇz´ıv´an´ı ultrazvuku se rychle rozˇsiˇruje v celosvˇetov´em mˇeˇr´ıtku; vedle porodnictv´ı je velmi uˇziteˇcn´y tak´e pˇri vyˇsetˇrov´an´ı bˇricha a mˇekk´ych tk´an´ı. Vzhledem k nepˇr´ıtomnosti ionizuj´ıc´ıho z´aˇren´ı je tˇreba ultrazvuk preferovat vˇsude tam, kde m˚ uˇze poskytnout klinicky uˇziteˇcn´e informace. Bezpeˇcnost ultrazvuku je st´ale pˇredmˇetem v´yzkumu. Po tˇrech desetilet´ıch praxe a vyˇsetˇren´ı mili´on˚ u osob se jeˇstˇe st´ale diskutuje o absolutn´ı bezpeˇcnosti t´eto metody. Potenci´aln´ı riziko ultrasonografick´eho vyˇsetˇren´ı, pokud v˚ ubec nˇejak´e existuje, je ovˇsem tˇreba pomˇeˇrovat jeho uˇziteˇcnost´ı, zejm´ena v porodnictv´ı a intern´ı medic´ınˇe, kde poskytuje informace, kter´e nelze z´ıskat jin´ym zp˚ usobem. Kvalita v´ysledk˚ u ultrasonografick´eho vyˇsetˇren´ı velmi z´avis´ı na osobˇe vyˇsetˇruj´ıc´ıho. [7], [10]

3.1

Akustick´ e vlastnosti tk´ an´ı a org´ an˚ u

Kaˇzd´e prostˇred´ı je z akustick´eho hlediska charakterizov´ano 3 z´akladn´ımi parametry:

25

´ zova ´ rychlost vyjadˇruje rychlost ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku dan´ym prostˇred´ım, 1. Fa je pˇr´ımo u ´ mˇern´a elastick´ym vlastnostem a nepˇr´ımo u ´ mˇern´a jeho hustotˇe. ´ impedance je d´ana pomˇerem akustick´eho tlaku a akustick´e 2. Akusticka rychlosti. Pro rovinnou pod´elnou vlnu se rovn´a souˇcinu hustoty prostˇred´ı a rychlosti ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku t´ımto prostˇred´ım. ´ 3. Utlum vyjadˇruje pokles energie ultrazvukov´e vlny pˇri pr˚ uchodu prostˇred´ım. M´ırou poklesu energie je koeficient u ´ tlumu. K poklesu energie doch´az´ı jak pˇremˇenou v teplo, tak i rozptylem na nehomogenit´ach prostˇred´ı. Dopad´a-li rovinn´a ultrazvukov´a vlna na rozhran´ı dvou prostˇred´ıch o nestejn´ych akustick´ych impedanc´ıch, ˇc´ast energie rozhran´ım projde a ˇc´ast se odraz´ı. [7]

3.2

Ultrazvukov´ a diagnostika v oftalmologii

Oˇcn´ı l´ekaˇrstv´ı bylo jedn´ım z prvn´ıch l´ekaˇrsk´ych obor˚ u, ve kter´em se ultrazvuk zaˇradil mezi vyˇsetˇrovac´ı metody a na rozd´ıl od jin´ych l´ekaˇrsk´ych obor˚ u, dodnes vyuˇz´ıv´a i jednorozmˇern´eho A–zobrazen´ı. Oftalmologov´e vytvoˇrili t´eˇz prvn´ı mezin´arodn´ı organizaci, kter´a dodnes sdruˇzuje pracovn´ıky zab´yvaj´ıc´ı se ultrazvukovou diagnostikou v tomto oboru. Tk´anˇe oka maj´ı ve srovn´an´ı s jin´ymi tk´anˇemi pro vyˇsetˇrov´an´ı ultrazvukem urˇcit´e v´yhody. Ty spoˇc´ıvaj´ı v tom, ˇze svˇetlolomn´e tk´anˇe oka jsou z akustick´eho hlediska homogenn´ı a vykazuj´ı relativnˇe n´ızk´y u ´ tlum. K identifikaci tk´an ˇ ov´ych rozhran´ı i patologick´ych struktur je moˇzno pouˇz´ıt ultrazvukov´ych sond o vyˇsˇs´ıch frekvenc´ıch (5–20 MHz) neˇz je tomu i jin´ych tk´an´ı (2–7,5 MHz), ˇc´ımˇz je dosaˇzeno vyˇsˇs´ıho axi´aln´ıho i later´aln´ıho rozliˇsen´ı a t´ım i pˇresnosti v´ysledku. Pro oftalmologick´e u ´ˇcely byly zkonstruov´any speci´aln´ı kontaktn´ı a fokusovan´e sondy o pr˚ umˇeru 3–5 mm. Ve zdrav´em oku je pˇet akusticky dobˇre definovan´ych rozhran´ı: 1. rohovka – komorov´a voda, 2. komorov´a voda – ˇcoˇcka, 3. ˇcoˇcka – sklivec, 4. sklivec – s´ıtnice, 26

5. bˇelima – tk´an ˇ oˇcnice. Ke klasick´ym diagnostick´ym metod´am vyuˇz´ıvan´ych v oftalmologii patˇr´ı ultrazvukov´a biometrie, standardizovan´y A–obraz a ploˇsn´e B–zobrazen´ı. K nim se dnes tak´e pˇrid´avaj´ı speci´aln´ı metody jako je ultrazvukov´a biomikroskopie vyuˇz´ıvaj´ıc´ı vysokofrekvenˇcn´ı sondy (50–100 MHz), kter´a je urˇcen´a pro detailn´ı vyˇsetˇrov´an´ı pˇredn´ıho segmentu oka a vˇsechny modality dopplerovsk´eho zobrazen´ı, umoˇzn ˇ uj´ıc´ı vyˇsetˇrov´an´ı c´evn´ıho z´asoben´ı oka a oˇcnice. Ultrazvukov´a diagnostika oˇcnice je vˇsak obt´ıˇznˇejˇs´ı neˇz vlastn´ı ultrazvukov´a diagnostika oka a vyˇzaduje v´ıce zkuˇsenost´ı. Ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı v oˇcn´ım l´ekaˇrstv´ı se prov´ad´ı nejl´epe na speci´aln´ım polohovateln´em kˇresle v poloze leˇzmo s m´ırnˇe zaklonˇenou hlavou. Sondy se pˇrikl´adaj´ı bud’ pˇr´ımo na oko po m´ıstn´ım znecitlivˇen´ı, a v tomto pˇr´ıpadˇe se jako kontaktn´ı m´edium pouˇz´ıv´a 1 % vodn´y roztok metylcelul´ozy. Jin´y zp˚ usob vyˇsetˇren´ı je pˇres k˚ uˇzi v´ıˇcek, kdy se tento zp˚ usob pouˇz´ıv´a pˇredevˇs´ım pro pˇriloˇzen´ı sondy u B–zobrazen´ı a dopplerovsk´eho vyˇsetˇren´ı. Jako kontaktn´ı m´edium se pouˇz´ıv´a nedr´aˇzdiv´y gel. Hlavn´ımi indikaˇcn´ımi oblastmi ultrasonografie v oˇcn´ım l´ekaˇrstv´ı jsou: • Nitrooˇ cn´ı ciz´ı tˇ el´ıska, zvl´aˇstˇe jsou-li nekontrastn´ı pro rtg vyˇsetˇren´ı. Patˇr´ı sem i pr˚ ukaz ˇcoˇcky luxovan´e do sklivce. • Nitrooˇ cn´ı n´ adory (n´adory c´evnatky, s´ıtnice a ˇrasnat´eho tˇel´ıska). Typick´ym znakem oˇcn´ıho tumoru v jednorozmˇern´em A–obraze jsou v´ıceˇcetn´a echa pˇred koncov´ym echem oka. V B–zobrazen´ı se projevuje jako loˇzisko s odliˇsnou echogenitou.

27

Obr´azek 3.1: B scan oka u 1 roˇcn´ıho d´ıtˇete s retinoblastomem. Kr´atk´e ˇsipky ukazuj´ı nepravideln´y tvar a dlouh´a ˇsipka zobrazuje charakteristickou kalcifikaci. Pˇrevzato z [35]

• Odchl´ıpen´ı s´ıtnice. Na rozd´ıl od n´adoru je v A–obraze za odrazem od odchl´ıpen´e s´ıtnice vidˇet bezodrazov´y u ´ sek, kter´y odpov´ıd´a prostoru, naplnˇen´eho subretin´aln´ı tekutinou. Za n´ım pak n´asleduj´ı odrazy od zadn´ı stˇeny bulbu a retrobulb´aln´ı tk´anˇe.

Obr´azek 3.2: B scan oka a odchl´ıpen´ı s´ıtnice u 42 let´eho pacienta. Pˇrevzato z [35]

• Velmi v´yznamn´a je t´eˇz ultrazvukov´a biometrie oka, tj. pˇresn´e mˇeˇren´ı nitrooˇcn´ıch nebo orbit´aln´ıch vzd´alenost´ı pomoc´ı A–obrazu. Biometrick´a 28

mˇeˇren´ı nab´yvaj´ı zvl´aˇstn´ı d˚ uleˇzitosti pro v´ypoˇcet optick´e mohutnosti umˇel´e nitrooˇcn´ı ˇcoˇcky v souvislosti s jej´ı implantac´ı pro extrakci katarakty. • Onemocnˇ en´ı orbity. A– i B– zobrazen´ı se vyuˇz´ıv´a pro diagnostiku endokrinn´ıch orbitopati´ı, n´ador˚ u orbity, myositid a nˇekter´ych dalˇs´ıch onemocnˇen´ı. Mimoˇr´adn´y v´yznam m´a ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı u oka, jehoˇz svˇetlolomn´a prostˇred´ı jsou nepr˚ uhledn´a a znemoˇzn ˇ uj´ı tak pˇr´ım´e oftalmologick´e vyˇsetˇren´ı (zkalen´ı, krv´acen´ı). Zjednoduˇsenˇe lze z´asady pro ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı v oˇcn´ım l´ekaˇrstv´ı shrnout takto: a) Dvourozmˇern´e dynamick´e zobrazen´ı slouˇz´ı k z´ısk´an´ı pˇrehledov´ych obraz˚ u o patologick´ych zmˇen´ach v oku a k vyhled´an´ı nejvhodnˇejˇs´ıch rovin pro dalˇs´ı zobrazen´ı. b) Jednozmˇern´e A–zobrazen´ı je nepostradateln´e pro biometrii a slouˇz´ı k detailn´ımu vyˇsetˇren´ı v rovin´ach, urˇcen´ych echotomograficky. c) Dopplerovsk´e metody slouˇz´ı k posouzen´ı vaskularizace oka a oˇcnice. [6], [8], [10]

3.3

Gely pro ultrazvukov´ e vyˇsetˇ ren´ı

Uv´ızne-li pˇri ultrazvukov´em vyˇsetˇren´ı vzduch mezi vyˇsetˇrovac´ı sondou a k˚ uˇz´ı pacienta, vytvoˇr´ı bari´eru, kter´a odr´aˇz´ı t´emˇeˇr vˇsechny ultrazvukov´e vlny a zabraˇ nuje jejich pr˚ uniku. Kvalitn´ıho zobrazen´ı se dos´ahne pˇri propojen´ı mezi sondou a povrchem pacientova tˇela pomoc´ı tekut´eho prostˇredku, oznaˇcovan´eho jako gel pro ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı. Nevhodn´ym prostˇredkem je voda, protoˇze se p˚ usoben´ım tˇelesn´eho tepla rychle vypaˇruje a pˇri pohybu sondy snadno st´ek´a. Lze ji pouˇz´ıt jen v akutn´ım pˇr´ıpadˇe, nen´ı-li gel k dispozici. Nejvhodnˇejˇs´ı je ve vodˇe rozpustn´y gel, kter´e vyr´ab´ı ˇrada v´yrobc˚ u. Nen´ı nutn´e uˇz´ıvat speci´aln´ı gel jen pro urˇcit´y ultrasonograf, nebot’ pouˇzit´ı jin´eho neˇz speci´aln´ıho gelu nem´a vliv na kvalitu obrazu. Je-li obraz nejasn´y nebo citlivost sn´ıˇzen´a, nemˇen´ı se nastaven´ı pˇr´ıstroje dˇr´ıve, neˇz se aplikuje dostatek gelu na pacientovu k˚ uˇzi. Pro aplikaci gelu je nejlepˇs´ı pruˇzn´a lahviˇcka, ze kter´e se gel snadno dostane na k˚ uˇzi. M´a-li pacient otevˇrenou r´anu, ˇskr´abance na k˚ uˇzi nebo existuje–li jin´e riziko infekce, zakryje se vyˇsetˇrovac´ı son29

da nebo k˚ uˇze slabou umˇelohmotnou f´oli´ı, potˇrenou po obou stran´ach gelem. Po proveden´ı vyˇsetˇren´ı se sonda oˇcist´ı a gel na k˚ uˇzi pacienta se peˇclivˇe setˇre. Sloˇ zky pro pˇ r´ıpravu gelu T´emˇeˇr v kaˇzd´e nemocnici a l´ek´arnˇe je moˇzn´e pˇripravit gel vhodn´y pro ultrazvukov´e vyˇsetˇrov´an´ı. Z´akladem gelu jsou syntetick´e pryskyˇrice, polymery kyseliny akrylov´e nebo jin´e tekut´e l´atky, kter´e se po neutralizaci vhodn´ym alkalizuj´ıc´ım ˇcinidlem rozpouˇstˇej´ı ve vodˇe. [10]

3.4

Mechanismus ultrazvukov´ eho zobrazen´ı

Z´akladem ultrazvukov´e diagnostiky je zpracov´an´ı a zobrazen´ı ultrazvukov´ych sign´al˚ u, odraˇzen´ych od tk´an ˇ ov´ych rozhran´ı.

3.4.1

Reˇ zim zobrazen´ı odraz˚ u

A-m´ od (oznaˇcen´ı A je z anglick´eho Amplitude: odrazy moduluj´ıc´ı amplitudu v´ychylek). Je nejjednoduˇsˇs´ı a historicky nejstarˇs´ı ultrazvukovou vyˇsetˇrovac´ı metodou, charakterizovan´e sledem v´ychylek ˇcasov´e z´akladny osciloskopu. Poloha v´ychylky odpov´ıd´a m´ıstu odrazu, jej´ı amplituda mnoˇzstv´ı odraˇzen´e akustick´e energie A zobrazen´ı odpov´ıd´a ˇcasu nebo vzd´alenosti, za kterou se ˇ ım sign´al odrazen´eho paprsku od rozhran´ı vr´at´ı k mˇeniˇci (viz obr. 3.3). C´ je odrazivost na rozhran´ıch vˇetˇs´ı, t´ım vyˇsˇs´ı je amplituda.

30

Obr´azek 3.3: A zobrazen´ı, pˇrevzato z [30]

B-m´ od (oznaˇcen´ı B je z anglick´eho slova Brightness: zachycen´e odrazy moduluj´ı jas stopy na obrazovce). Jde o dvourozmˇern´y zp˚ usob zobrazen´ı tk´an ˇ ov´ych struktur. Podle rychlosti sn´ım´an´ı obrazu se metody B–zobrazen´ı dˇel´ı na statick´e a dynamick´e. U statick´ eho zobrazen´ı B je pohyb stopy na pamˇet’ov´e obrazovce synchronizov´an mechanicko-elektricky s pomal´ym pohybem sondy s mˇeniˇcem po povrchu tˇela. Rozliˇsovac´ı schopnost t´eto metody byla pomˇernˇe mal´a a zaveden´ım odstupˇ novan´e ˇsedi bylo moˇzno diferencovat mezi r˚ uznˇe intenzivn´ımi odrazy. Dynamick´ e B–zobrazen´ı je z´akladn´ım ultrazvukov´ym zobrazen´ım v re´aln´em ˇcase. Umoˇzn ˇ uje zobrazen´ı zvolen´eho ˇrezu vyˇsetˇrovanou oblast´ı nejen v jeho prostorov´ych, ale i v ˇcasov´ych vztaz´ıch. Ultrazvukov´y svazek je posl´an v odliˇsn´ych smˇerech ke sn´ım´an´ı potˇrebn´e oblasti a jeho podstatou je vytvoˇren´ı postupn´e s´erie obraz˚ u vyˇsetˇrovan´e oblasti umoˇzn ˇ uj´ıc´ı jej´ı souvisl´e pˇrehl´ednut´ı vˇcetnˇe moˇznosti sledov´an´ı pohybu. V´ıce neˇz 200 svazk˚ u tvoˇr´ı kaˇzd´y obraz. Dynamick´e B–zobrazen´ı tvoˇr´ı z´aklad ultrazvukov´e diagnostiky t´ım, ˇze poskytuje z´akladn´ı morfologick´e informace, tedy informace o odrazivosti jednotliv´ych tk´an ˇ ov´ych struktur.

31

Metody rychl´eho sn´ım´an´ı mohou b´yt mechanick´e ˇci elektronick´e a dle tvaru z´abˇeru se dˇel´ı na pravo´ uhl´ e a sektorov´ e. U pravo´ uhl´eho zobrazen´ı se pouˇz´ıvaj´ı sondy s velk´ym poˇctem mal´ych, line´arnˇe uspoˇr´adan´ych mˇeniˇc˚ u. Sektorov´y zp˚ usob zobrazen´ı vyuˇz´ıv´a ke sn´ım´an´ı obrazu bud’ mechanicky rotuj´ıc´ıch mˇeniˇc˚ u, nebo syst´emu mˇeniˇc˚ u buzen´ych elektronicky s f´azov´ym zpoˇzdˇen´ım. M-m´ od (p˚ uvodnˇe TM z anglick´eho Time motion) je metoda, kter´a byla vypracov´ana pro potˇreby kardiologick´eho vyˇsetˇren´ı. Pˇri zachycen´ı pohybuj´ıc´ı se struktury (napˇr´ıklad: srdeˇcn´ı stˇeny, c´ıpu srdeˇcn´ı chlopnˇe) A – obrazem se na obrazovce objev´ı tzv. plovouc´ı echo, z nˇehoˇz je moˇzno rozeznat jen hranice pohybu. Nahrazen´ım v´ychylek ˇcasov´e z´akladny sv´ıt´ıc´ımi body lze zaznamenat ˇcasov´y pr˚ ubˇeh jejich vz´ajemn´eho pohybu. 3D zobrazen´ı Bˇeˇzn´y ultrazvuk nab´ız´ı dvourozmˇernou vizualizaci anatomick´ych struktur s flexibilitou vizualizace obraz˚ u z r˚ uzn´ych smˇer˚ u v re´aln´em ˇcase. Pracovn´ık ultrazvuku z´ısk´av´a tyto dvojrozmˇern´e obrazy v nejm´enˇe dvou r˚ uzn´ych skenovac´ıch rovin´ach a tvoˇr´ı si tak virtu´alnˇe trojrozmˇern´y obraz ve sv´e hlavˇe. Rozˇs´ıˇren´ı st´avaj´ıc´ıch diagnostick´ych moˇznost´ı ultrasonografie pˇredstavuje zaveden´ı trojrozmˇern´eho zobrazen´ı (3D). Dosahuje se toho pohybem sondy bˇehem sn´ım´an´ı obrazu, a to bud’ line´arn´ım posuvem, ´ nakl´anˇen´ım nebo rotac´ı. Udaje o odrazivosti v jednotliv´ych rovin´ach jsou zav´adˇeny do pamˇeti v´ykonn´eho poˇc´ıtaˇce, kter´y provede matematickou rekonstrukci obrazu. Tato technika je uˇziteˇcn´a pˇri zobrazen´ı obliˇceje, kloub˚ u a okraj˚ u plodu ve druh´em a tˇret´ım trimestru tˇehotenstv´ı (viz obr. 3.4). V souˇcasn´e dobˇe se zjiˇst’uj´ı jin´e moˇznosti a aplikace trojrozmˇern´eho zobrazov´an´ı (napˇr´ıklad v gynekologii a porodnictv´ı se vyuˇz´ıv´a 4D zobrazen´ı, coˇz je 3D zobrazen´ı s re´aln´ym pohledem na plod s detekc´ı pohyb˚ u plodu). [5], [6]

32

Obr´azek 3.4: 4D zobrazen´ı, pˇrevzato z [29]

Ultrazvukov´y obraz vyˇsetˇrovan´e oblasti pˇredstavuje ve sv´e podstatˇe mapu strukturn´ıch prvk˚ u a r˚ uzn´e akustick´e impedanci ve zvolen´e rovinˇe. Rozd´ıly v akustick´e impedanci urˇcuj´ı stupeˇ n odrazivosti (echogenity) dan´e tk´anˇe. Rozliˇsujeme struktury hyperechogenn´ı (silnˇe odraziv´e), hypoechogenn´ı (slabˇe odraziv´e) a anechogenn´ı (bez odrazov´ych struktur). Pˇristroj, umoˇzn ˇ uj´ıc´ı vytvoˇren´ı tˇechto obraz˚ u se skl´ad´a z nˇekolika z´akladn´ıch souˇc´ast´ı: – vyˇsetˇrovac´ıch sond, – elektronick´ych obvod˚ u nutn´ych pro buzen´ı piezoelektrick´ych element˚ u sondy a pro zpracov´an´ı zachycen´ych odraz˚ u do podoby obrazu, – zobrazovac´ı jednotky (monitoru), – z´aznamov´e jednotky (videotisk´arny). Obecnˇe lze ˇr´ıci, ˇze dynamick´e B-zobrazen´ı tvoˇr´ı z´aklad ultrazvukov´e diagnostiky t´ım, ˇze poskytuje z´akladn´ı morfologick´e informace, to je informace o odrazivosti jednotliv´ych tk´an ˇ ov´ych struktur vyˇsetˇrovan´e oblasti.

33

Obr´azek 3.5: Pˇrenosn´y ultrazvukov´y pˇr´ıstroj pro zobrazen´ı s´ıtnice a orbity, pˇrevzato z [31] Ne vˇsichni pacienti jsou ultrazvukem stejnˇe kvalitnˇe vyˇsetˇriteln´ı. Asi u 20 % pacient˚ u je ultrazvukov´y obraz neostr´y a nekontrastn´ı a t´ım obt´ıˇznˇe hodnotiteln´y. Jejich tk´anˇe maj´ı vyˇsˇs´ı u ´ tlum a nav´ıc m´enˇe odr´aˇzej´ı ultrazvukov´e vlny. Pˇr´ıˇciny tohoto jevu nejsou zat´ım jednoznaˇcnˇe vysvˇetleny. U tˇechto pacient˚ u pom´ah´a k z´ısk´an´ı kvalitnˇejˇs´ıch obraz˚ u nov´a modalita ultrazvukov´eho zobrazen´ı, zvan´a pˇrirozen´e harmonick´e zobrazen´ı. Jej´ı princip spoˇc´ıv´a v tom, ˇze v d˚ usledku neline´arn´ıho ˇs´ıˇren´ı ultrazvukov´ych vln tk´anˇemi se jejich struktury dost´avaj´ı do harmonick´ych vibrac´ı. Detekˇcn´ı syst´em potlaˇcuje pˇr´ıjem odraz˚ u z´akladn´ı vys´ılan´e frekvence, ale pˇrij´ım´a kmity druh´e harmonick´e frekvence. Amplituda tˇechto kmit˚ u je sice niˇzˇs´ı, ale pomˇer sign´al/ˇsum je lepˇs´ı neˇz pˇri zpracov´an´ı z´akladn´ı frekvence. Tento druh zobrazen´ı vyˇzaduje speci´aln´ı programov´e vybaven´ı a ˇsirokop´asmov´e sondy, schopn´e pˇrij´ımat s dostateˇcnou citlivost´ı harmonick´e kmitoˇcty. [6], [7]

3.5

Dopplerovsk´ e zobrazen´ı

V 60. letech byly detailnˇeji zpracov´any moˇznosti vyuˇzit´ı Dopplerova jevu k mˇeˇren´ı rychlosti pr˚ utoku krve v c´ev´ach. Tento posun pˇredznamenal moˇznost uˇziteˇcn´e f´ uze metod dvourozmˇern´eho a dopplerovsk´e ultrasonografie, ke kter´e definitivnˇe doˇslo aˇz v roce 1974. N´astup tzv. duplexn´ı techniky s sebou pˇrinesl zlom v moˇznostech 34

dopplerovsk´e ultrasonografie, nebot’ umoˇzn ˇ oval c´ılenˇe mˇeˇrit pr˚ utok v konkr´etn´ı c´evˇe, kter´a byla na tomografick´em B obraze zn´azornˇena. S rychl´ym rozvojem elektronick´ych syst´em˚ u v 80. letech doˇslo k v´yrazn´emu vzestupu kvality zobrazen´ı a bylo tak umoˇznˇeno prov´adˇet citliv´a duplexn´ı dopplerovsk´a mˇeˇren´ı i pˇri simult´ann´ım B–zobrazen´ı v re´aln´em ˇcase. Rovnˇeˇz v´ykonn´a elektronika ultrazvukov´ych pˇr´ıstroj˚ u uvedla do klinick´e praxe novou modalitu: barevn´e dopplerovsk´e zobrazen´ı. Posledn´ı desetilet´ı 20. stolet´ı bylo ve znamen´ı plnˇe digitalizovan´ych ultrazvukov´ych syst´em˚ u s vysok´ym v´ykonem a kvalitn´ım zobrazen´ım vyznaˇcuj´ıc´ı se v´yraznˇe vyˇsˇs´ı citlivost´ı pˇredevˇs´ım k pomal´ym tok˚ um v drobn´ych c´ev´ach. Na konci 20. stolet´ı se metoda vyuˇz´ıvaj´ıc´ı Dopplerova principu stala jedineˇcnou mezi zobrazovac´ımi technikami, vyznaˇcuj´ıc´ı se vysokou pˇresnost´ı a citlivost´ı, neinvazivnost´ı, praktick´ym chybˇen´ım negativn´ıch biologick´ych efekt˚ u a relativnˇe i dobrou dostupnost´ı. [3]

3.5.1

Doppler˚ uv princip

Rakousk´y fyzik Johann Christian Doppler v roce 1842 poprv´e popsal fyzik´aln´ı jev: pˇribliˇzuje-li se zdroj zvukov´eho vlnˇen´ım, vn´ım´a pozorovatel vyˇsˇs´ı kmitoˇcet, vzdaluje-li se zdroj, vn´ım´a pozorovatel kmitoˇcet niˇzˇs´ı. Rozd´ıl mezi frekvenc´ı zdrojem vys´ılanou a pozorovatelem pˇrij´ımanou je t´ım vˇetˇs´ı, ˇc´ım rychleji se zdroj v˚ uˇci pozorovateli pohybuje. Tohoto principu vyuˇz´ıvaj´ı vˇsechny dopplerovsk´e detektory pohybu a mˇeˇriˇce rychlosti proud´ıc´ı krve. Z´akladn´ımi odrazov´ymi strukturami v proud´ıc´ı krvi jsou ˇcerven´e krvinky. Vzhledem k tomu, ˇze jejich velikost je podstatnˇe menˇs´ı neˇz vlnov´a d´elka dopadaj´ıc´ıch ultrazvukov´ych vln, p˚ usob´ı ˇcerven´e krvinky sp´ıˇse jako bodov´e zdroje rozptylu, kter´e d´avaj´ı vznik kruhov´ym vlnoploch´am, ˇs´ıˇr´ıc´ım se vˇsemi smˇery. Tyto vlny mezi sebou interferuj´ı a doch´az´ı k jejich ˇcasov´e i prostorov´e sumaci. Pro vznik dopplerovsk´eho sign´alu je rozhoduj´ıc´ı ta ˇc´ast energie ultrazvukov´e vlny, kter´a se odr´aˇz´ı zpˇet ke zdroji. Pˇri tom plat´ı, ˇze amplituda odraˇzen´e vlny je u ´ mˇern´a druh´e mocninˇe celkov´eho poˇctu element´arn´ıch reflektor˚ u (erytrocyt˚ u). Kmitoˇcet t´eto odraˇzen´e vlny se vˇsak v d˚ usledku pohybu reflektor˚ u liˇs´ı od kmitoˇctu vyslan´eho. Vys´ılac´ı frekvence se pˇri klinick´em vyuˇzit´ı Dopplerova principu pro mˇeˇren´ı rychlosti toku krve vol´ı v rozmez´ı od 2 do 10 MHz. K mˇeˇren´ı pohybu existuj´ı dvˇe 35

z´akladn´ı metody dopplerovsk´eho ultrazvuku, kontinu´aln´ı vlnˇen´ı (CW) a pulzn´ı vlnˇen´ı (PW). 1. Kontinu´ aln´ı metoda – ultrazvuk se vys´ıl´a nepˇretrˇzitˇe, pˇriˇcemˇz pˇr´ıstroj pˇresnˇe mˇeˇr´ı vysok´e rychlosti, ale nelze rozliˇsit hloubku vyˇsetˇrovan´e struktury, takˇze veˇsker´y pohyb pod´el ultrazvukov´eho paprsku se zobrazuje z´aroveˇ n. Pouˇz´ıvaj´ı se tedy k mˇeˇren´ı rychlosti krevn´ıho toku v c´ev´ach uloˇzen´ych bl´ıˇze povrchu tˇela. Mohou b´yt bud’ nesmˇerov´e – ty poskytuj´ı jen informaci o o pr˚ umˇern´e rychlosti toku, bez moˇznosti smˇerov´eho rozliˇsen´ı anebo smˇerov´e – umoˇzn ˇ uj´ıc´ı z´aznam dopˇredn´ych (smˇerem k sondˇe) i zpˇetn´ych (smˇerem od sondy) tok˚ u v dan´em m´ıstˇe krevn´ıho ˇreˇciˇstˇe (viz obr. 3.6).

Obr´azek 3.6: Rychlostn´ı kˇrivky smˇerov´eho dopplerovsk´eho mˇeˇriˇce, pˇrevzato z [11]

2. Pulzn´ı metoda – ultrazvuk je vys´ıl´an v pulzech, coˇz umoˇzn ˇ uje mˇeˇren´ı velikosti a charakteru krevn´ıho toku (lamin´arn´ıho, turbulentn´ıho) v tzv. vzorkovac´ım objemu, kter´y ohraniˇcuje oblast c´evy, v n´ıˇz se mˇeˇr´ı rychlost toku a kter´y je moˇzno pomoc´ı speci´aln´ıch zpoˇzd’ovac´ıch obvod˚ u nastavit do poˇzadovan´e hloubky. Duplexn´ı metoda Kombinace dvojrozmˇern´eho dynamick´eho zobrazen´ı a impulsn´ıho dopplerovsk´eho mˇeˇren´ı rychlosti se rozv´ıjela v polovinˇe sedmdes´at´ych let a poskytuje informace o morfologii sledovan´e oblasti vˇcetnˇe informace o morfologii c´ev a naˇsla sv´e uplatnˇen´ı v echokardiografii a angiografii.

36

Barevn´ a duplexn´ı ultrasonografie ˇ U t´eto metody je obraz sloˇzen z ˇcernob´ıl´e a barevn´e ˇc´asti. Cernob´ ıl´a ˇc´ast obsahuje morfologickou informaci o odrazivosti, barevn´a ˇc´ast pak informaci o pohybu ve sledovan´em ˇrezu. Pr˚ umˇern´e rychlosti toku krve jsou rozliˇseny r˚ uzn´ymi barvami (viz obr. 3.7). K z´ısk´an´ı cel´eho rychlostn´ıho spektra je nutno ˇcernob´ıl´y a barevn´y obraz doplnit impulsnˇe dopplerovsk´ym mˇeˇren´ım. Kombinace B–zobrazen´ı s barevn´ym a spektr´aln´ım dopplerovsk´ym modulem b´yv´a oznaˇcov´ana jako triplexn´ı metoda.

Obr´azek 3.7: Duplexn´ı sonografie, pˇrevzato z [32] Podobnˇe jako jin´e zobrazovac´ı metody, i ultrasonografie zaˇc´ın´a v posledn´ı dobˇe vyuˇz´ıvat kontrastn´ıch l´atek. Jsou to l´atky, kter´e zvyˇsuj´ı odrazivost prostoru, do nˇehoˇz byly vpraveny. Jedn´a se o vzduchov´e nebo plynov´e mikrobubliny o pr˚ umˇeru nˇekolika mikrometr˚ u vpraven´e do krevn´ıho obˇehu, bud’ voln´e nebo uzavˇren´e v b´ılkovinn´em ˇci jin´em biopolymern´ım obalu. Podm´ınkou je, aby proch´azely plicn´ımi kapil´arami a byly v krevn´ım obˇehu po urˇcitou dobu stabiln´ı. Umoˇzn ˇ uj´ı zobrazen´ı tok˚ u ve velmi mal´ych c´ev´ach. [3], [6], [8], [9], [10]

3.6

Ultrazvukov´ e metody biometrie oka

Biometrie je prov´adˇena u kaˇzd´eho pacienta pˇred operac´ı katarakty a slouˇz´ı ke zmˇeˇren´ı velikosti jednotliv´ych odd´ıl˚ u oka (pˇredn´ı komora, s´ıla ˇcoˇcky a axi´aln´ı d´elka oka). Tato mˇeˇren´ı se vyuˇz´ıvaj´ı k diagnostick´ym u ´ˇcel˚ um pˇri vyˇsetˇren´ı extr´emn´ıch hodnot d´elky oka, pˇri kr´atkozrakosti nebo dalekozrakosti, a tak´e jako hlavn´ı vstupn´ı hodnoty pro v´ypoˇcet nitrooˇcn´ıch optick´ych implant´at˚ u – nit37

rooˇcn´ıch ˇcoˇcek. Pomoc´ı A-m´odu m˚ uˇzeme prov´est biometrii oka dvˇema zp˚ usoby a to metodou kontaktn´ı nebo imerzn´ı. Kaˇzd´a z nich m´a sv´e uplatnˇen´ı, v´yhody i nev´yhody. Pro obˇe metody plat´ı, ˇze axi´aln´ı d´elka namˇeˇren´a tˇemito metodami je d´elka od pˇredn´ı plochy rohovky aˇz po vnitˇrn´ı hraniˇcn´ı membr´anu s´ıtnice. Z anatomick´eho a optick´eho hlediska se tedy nejedn´a o pˇresnou axi´aln´ı d´elku oka. V nˇekter´ych vzorc´ıch se proto poˇc´ıt´a s korekˇcn´ım faktorem pro retin´aln´ı tlouˇst’ku. [13], [36]

3.6.1

Kontaktn´ı metoda

Nev´yhodou je nutnost zkuˇsenosti vyˇsetˇruj´ıc´ıho a kontakt sondy s rohovkou. U kontaktn´ı metody se sonda pˇriloˇz´ı pˇr´ımo na znecitlivˇelou rohovku a pacient je bˇehem vyˇsetˇren´ı poloˇzen na leh´atku (viz obr. 3.8). Obrazovka pˇr´ıstroje je um´ıstˇena v bl´ızkosti hlavy, aby mohl vyˇsetˇruj´ıc´ı pozorovat skuteˇcn´a echa v dan´em ˇcase. Pacient fixuje svˇeteln´y bod v pohledov´em smˇeru kolmo vzh˚ uru, ˇc´ımˇz je zajiˇstˇeno ˇs´ıˇren´ı ultrazvuku pod´el osy vidˇen´ı. Postup se opakuje, dokud vyˇsetˇruj´ıc´ı osoba nez´ısk´a tˇri aˇz pˇet vysoce kvalitn´ıch, konzistentn´ıch mˇeˇren´ı. Namˇeˇren´e hodnoty by se od sebe nemˇeli liˇsit o v´ıce neˇz 0,3 mm, v opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe je vhodn´e prov´est mˇeˇren´ı imerzn´ı metodou, doplnit vyˇsetˇren´ı o ultrazvukov´y B-scan ˇci mˇeˇren´ı nech´ame prov´est jin´ym vyˇsetˇruj´ıc´ım. Vyˇsetˇruj´ıc´ı by mˇel tak´e d´avat pozor na v´yraznˇe odliˇsn´e axi´aln´ı d´elky mezi obˇema oˇcima, coˇz m˚ uˇze b´yt d˚ usledkem probl´emu s vyˇsetˇrovac´ı technikou nebo abnormalit v jednom nebo obou oˇc´ıch. V pˇr´ıpadˇe, kdy nelze z´ıskat kvalitn´ı echogram oka z d˚ uvodu vitreoretin´aln´ı patologie nebo traumatu, vyuˇz´ıv´ame aproximaci axi´aln´ı d´elky druh´eho oka. [13]

Obr´azek 3.8: Kontaktn´ı ultrazvukov´a metoda, pˇrevzato z [2] 38

V pr˚ ubˇehu mˇeˇren´ı kontaktn´ı metodou se mohou vyskytnout chyby a je moˇzn´e setkat se s abnormalitami, kter´e ovlivˇ nuj´ı v´ysledn´e mˇeˇren´ı. 1. Komprese rohovky m´a za n´asledek zkr´acen´ı mˇeˇren´e axi´aln´ı d´elky oka. K minimalizaci tohoto probl´emu m˚ uˇze pˇrispˇet i postup, pˇri kter´em se sonda lehce dotkne povrchu rohovky a ihned po zmˇeˇren´ı se odd´al´ı. 2. Naproti tomu chyba vznikl´a z menisku tekutiny mezi sondou a rohovkou m˚ uˇze v´est k nespr´avnˇe dlouh´emu namˇeˇren´ı hodnot. Takov´a situace nast´av´a, pokud je neobvykle siln´y slzn´y film, pokud na hrotu sondy z˚ ust´av´a mal´a kapka tekutiny z pˇredeˇsl´eho ˇciˇstˇen´ı, nebo je-li v oku pˇr´ıtomen gel ˇci mast. 3. Jestliˇze m´a pacient velmi hust´y kalcifikovan´y ˇsed´y z´akal, mezi echem pˇredn´ı a zadn´ı plochy ˇcoˇcky pozorujeme nˇekolik i vysoce reflektivn´ıch hrot˚ u poch´azej´ıc´ıch z j´adra ˇcoˇcky, velmi slab´e hroty se vyskytuj´ı u vˇetˇsiny ˇcoˇcek. Vlivem absorpce je zapotˇreb´ı zes´ılen´ı intenzity ultrazvukov´eho paprsku, ˇc´ımˇz dos´ahneme vˇetˇsinou optim´aln´ıho zobrazen´ı. Ve sklivci mohou b´yt pˇr´ıtomny i opacity, kter´e odr´aˇz´ı n´ızk´e nebo i vysoce reflexn´ı hroty pod´el linie. Abychom rozliˇsili sign´aly sklivce od retin´aln´ıho sign´alu, postaˇcuj´ıc´ı zmˇenou je sn´ıˇzen´ı intenzity. Hroty pod´el sklivce by mˇeli vymizet, zat´ımco retin´aln´ı hrot pˇretrv´av´a. [13]

3.6.2

Imerzn´ı metoda

Pˇresnˇejˇs´ı zp˚ usob, jak´ym lze mˇeˇrit axi´aln´ı d´elku oka ultrazvukem, je imerzn´ı technika. Vyuˇzit´ım vodn´ı l´aznˇe odpad´a pˇr´ım´y kontakt sondy s povrchem rohovky a t´ım z´aroveˇ n i neˇz´adouc´ı komprese rohovky. Oˇci mˇeˇren´e imerzn´ı technikou jsou pr˚ umˇernˇe o 0,1–0,3 mm delˇs´ı neˇz pˇri kontaktn´ım mˇeˇren´ı. Po vk´apnut´ı lok´aln´ıch anestetik se mezi v´ıˇcka vkl´ad´a mal´a plastov´a pˇreds´adka, kter´a je vyplnˇena imerzn´ım roztokem (methylcelul´ozou). Pouˇz´ıvaj´ı se dva typy pˇreds´adek. Plastov´a pˇreds´adka typu Hansen, kter´a se vyr´ab´ı v nˇekolika velikostech od 16–24 mm a jej´ıˇz v´yhodou je lehkost a pr˚ uhlednost. Sonda je vkl´ad´ana do pˇreds´adky naplnˇen´e imerzn´ım roztokem a tvoˇr´ı samostatnou jednotku. Druh´y typ pˇreds´adky Prager je charakteristick´y spoleˇcnou jednotkou tvoˇrenou sondou a pˇreds´adkou, manipulace a mˇeˇren´ı je ve srovn´an´ı s typem Hansen stabilnˇejˇs´ı (viz obr. 3.9). 39

Stejnˇe jako u kontaktn´ı metody pacienta vyzveme k fixov´an´ı bodu v prim´arn´ım kolm´em pohledu. Sonda je ponoˇrena volnˇe do roztoku vzd´alen´a p´ar milimetr˚ u od rohovky. Poˇc´ateˇcn´ı zes´ılen´ı je nastaveno na maximum a vyˇsetˇruj´ıc´ı mus´ı dodrˇzet kolm´y smˇer ultrazvukov´eho paprsku vzhledem k akustick´ym rozhran´ım (viz obr. 3.10). Nespr´avn´e hodnoty se mohou vyskytnout, pokud jsou v imerzn´ım roztoku pˇr´ıtomny bubliny, kter´e zp˚ usob´ı faleˇsnˇe dlouh´e mˇeˇren´ı. U imerzn´ı metody je v´ysledn´a axi´aln´ı d´elka pˇresnˇejˇs´ı a tak´e doba, kter´a je nutn´a k mˇeˇren´ı je v˚ uˇci kontaktn´ı metodˇe kratˇs´ı. [1], [13]

Obr´azek 3.9: Imerzn´ı ultrazvukov´a metoda, pˇrevzato z [33]

Obr´azek 3.10: Princip zobrazen´ı imerzn´ı ultrazvukov´e metody, pˇrevzato z [34]

40

3.7

Vyuˇ zit´ı ultrazvukov´ e biomikroskopie

Ultrazvukov´a biomikroskopie je modern´ı a jednoduch´a vyˇsetˇrovac´ı metoda, kter´a umoˇzn ˇ uje nejen precizn´ı anatomick´e zobrazen´ı, ale zobraz´ı jinak dosud obt´ıˇznˇe hodnotiteln´e zmˇeny komorov´eho u ´ hlu, duhovky a oblasti ˇrasnat´eho tˇelesa. M˚ uˇzeme tak´e rozliˇsit cystick´e a solidn´ı zmˇeny, zachytit atypick´e utv´aˇren´ı oblasti komorov´eho u ´ hlu, vrozen´e ˇci poz´anˇetliv´e. Glaukom R˚ uzn´e typy glaukomu zp˚ usobuj´ı specifick´e struktur´aln´ı abnormality pˇredn´ıho segmentu. Ultrazvukov´a biomikroskopie umoˇzn´ı zobrazit d˚ uleˇzit´e struktury pˇredn´ıho segmentu a pom´ah´a zejm´ena pˇri vyˇsetˇren´ı komorov´eho u ´ hlu a jeho detail˚ u. Uveitidy Ultrazvukov´a biomikroskopie je pˇri pˇredn´ı uveitidˇe pomocn´a vyˇsetˇrovac´ı metoda. Pˇr´ıtomnost patologick´ych jev˚ u lze jednoduˇse vizualizovat, projevy objektivnˇe mˇeˇrit a stav pravidelnˇe sledovat. Traumata a posttraumatick´ e stavy Trauma pˇredn´ıho segmentu ˇcasto doprov´az´ı pˇr´ıtomnost krve v pˇredn´ı oˇcn´ı komoˇre, ultrazvukov´a biomikroskopie tak pom´ah´a posoudit pozici ˇcoˇcky, stav duhovky, cili´arn´ıho tˇelesa a konfigurace u ´ hlu. Jde o pˇr´ınosnou vyˇsetˇrovac´ı metodu pˇri hodnocen´ı podezˇrel´ych ciz´ıch tˇel´ısek v pˇredn´ım segmentu oka. Tumory Ultrazvukov´a biomikroskopie pom´ah´a rozliˇsovat a kvantifikovat tumory v pˇredn´ım segmentu oka. Je nejdostupnˇejˇs´ı a pˇr´ınosnou metodou mˇeˇren´ı nitrooˇcn´ıch n´ador˚ u.

41

Obr´azek 3.11: A i B scan oka 52 let´e pacientky s choroid´aln´ım melanomem. Pˇrevzato z [35] Skleritida Touto metodou lze rozliˇsit r˚ uzn´e typy skleritid. Endoftalmitidy Endoftalmitida je v´aˇzn´y nitrooˇcn´ı z´anˇet s nejistou progn´ozou a ultrazvukov´e vyˇsetˇren´ı je ned´ılnou souˇc´ast´ı jej´ı diagnostiky. Pˇri vyˇsetˇren´ı lze sledovat napˇr´ıklad tvorbu z´akal˚ u ve sklivci, formov´an´ı membr´an, adheze sklivce k zadn´ımu p´olu, ztluˇstˇen´ı choroidey, odchl´ıpen´ı s´ıtnice, otok papily oˇcn´ıho nervu a ztluˇstˇen´ı skl´ery. Nejprve se prohl´edne sklivcov´eho prostoru, aby se zjistilo, zda jsou pˇr´ıtomny z´anˇetliv´e z´akaly a membr´any. U B–zobrazen´ı se tyto z´akaly a membr´any zobraz´ı jako jemn´e teˇcky a linie r˚ uzn´e hustoty, pˇri A–zobrazen´ı se v oblasti odpov´ıdaj´ıc´ı sklivcov´e dutinˇe zobraz´ı ˇcetn´e odrazy s n´ızkou amplitudou.

Ultrazvukov´ a biomikroskopie v 3D–zobrazen´ı Trojrozmˇern´e zobrazen´ı se vyv´ıj´ı nˇekolik let a je vyuˇz´ıv´ano v ultrazvukov´e diagnostice n´adorov´ych onemocnˇen´ı oka. V´yhodou oproti dvourozmˇern´emu zobrazen´ı je lepˇs´ı prostorov´a pˇredstava struktur. [2],[15], [36]

42

3.8

Fakoemulzifikace

Slovo fakoemulzifikace vzniklo sloˇzen´ım slov phakos (z ˇreˇctiny ˇcoˇcka) a emulzifikace, coˇz je proces, pˇri kter´em vznik´a tekut´e l´atka. Pˇri fakoemulzifikaci doch´az´ı vlivem ultrazvukov´e energie k rozdrcen´ı ˇcoˇckov´ych hmot, jejich aspiraci (sb´ır´an´ı) a irigaci (vstˇrikov´an´ı tekutiny do pˇredn´ı komory pomoc´ı fakoemulzifikaˇcn´ı sondy). Fragmentace pomoc´ı ultrazvuku je oznaˇcen´ı pro techniku rozbit´ı oˇcn´ıch struktur, jako je napˇr´ıklad ˇcoˇcka, duhovka, cili´arn´ı tˇeleso nebo sklivec, kter´e jsou ods´av´any skrz malou jehlu. Tato technika je pouˇz´ıv´ana u extrakapsul´arn´ı extrakce pˇri operaci ˇsed´eho z´akalu. Ultrazvukov´a sonda se skl´ad´a z elektrick´eho oscil´atoru, kter´y aktivuje piezoelektrick´y krystal, kter´y vibruje frekvenc´ı pˇribliˇznˇe 35 aˇz 40 kHz. Vibrace jsou rezonanc´ı pˇren´aˇseny aˇz na konec ods´avac´ı jehly. [4], [14]

Obr´azek 3.12: Fakoemulzilfikace ˇcoˇcky. Pˇrevzato z [37] Fakoemulzifikace se stala hlavn´ı metodou operace katarakty. Jej´ı v´yhodou je st´al´a kontrola pˇr´ıtoku i odtoku tekutin, kontrola nitrooˇcn´ıho tlaku a mal´y operaˇcn´ı ˇrez. Z menˇs´ıho ˇrezu vypl´yv´a menˇs´ı operaˇcn´ı r´ana, rychlejˇs´ı hojen´ı r´any, menˇs´ı pravdˇepodobnost pooperaˇcn´ıch komplikac´ı, redukce vzniku pooperaˇcn´ıho astigmatismu a rychl´a u ´ prava vidˇen´ı. Historie fakoemulzifikace sah´a do 60. let, kdy Charles Kelman poprv´e rozmˇelnil zkalenou ˇcoˇcku ultrazvukem a ˇcoˇckov´e hmoty ods´al. K operaˇcn´ı metodˇe fakoemulzifikace se zaˇcalo pˇrihl´ıˇzet v 90. letech. V t´e dobˇe se zaˇcala pouˇz´ıvat jako hlavn´ı metoda pˇri operaci katarakty, obzvl´aˇst’ s kombinac´ı implantace mˇekk´e ˇcoˇcky a v´yskytem minim´aln´ıho pooperaˇcn´ıho as43

tigmatismu. K rozdrcen´ı j´adra se pouˇz´ıv´a ultrazvukov´a energie. [16]

3.8.1

Fakoemulzifikace ˇ coˇ ckov´ eho j´ adra

V dneˇsn´ı dobˇe je fakoemulzifikace nejv´ıce pouˇz´ıvan´a metoda k extrakci ˇsed´eho z´akalu. Nejˇcastˇejˇs´ı metodou fakoemulzifikace j´adra je postup uvnitˇr ˇcoˇcky. K rozdrcen´ı j´adra se pouˇz´ıvaj´ı ultrazvukov´e vlny, lasery, n´ızkofrekvenˇcn´ı zvukov´e vlnˇen´ı nebo tak´e tryskov´a technika. Vysokofrekvenˇcn´ı ultrazvuk vyuˇz´ıv´a frekvenci kolem 1 MHz a jeho amplituda se pohybuje v rozmez´ı 5-100 µm a pouˇz´ıv´a se k destrukci j´adra ˇcoˇcky pˇri operaci katarakty. D˚ uleˇzit´ym mechanismem p˚ usoben´ı ultrazvuku je kavitaˇcn´ı u ´ˇcinek. Pˇri kavitaˇcn´ım u ´ˇcinku vznikaj´ı radi´alnˇe kmitaj´ıc´ı plynov´e mikrobubliny v kapaln´em prostˇred´ı z d˚ uvodu n´ahl´ych zmˇen uvnitˇr kapaliny. Pˇri dotyku bublinky a pevn´e l´atky dojde k implozi, uvolnˇen´ı energie a rozdrcen´ı j´adra ˇcoˇcky. Fakoemulzifikaˇ cn´ı sonda Fakoemulzifikaˇcn´ı sonda se skl´ad´a ze silnˇejˇs´ıho tˇela a tenk´e jehly. V tˇele sondy se nach´az´ı nˇekolik piezoelektrick´ych krystal˚ u, kter´e pˇremˇen ˇ uj´ı elektrickou energii pˇriv´adˇenou do sondy na mechanick´e vlnˇen´ı s frekvenc´ı 27 000 aˇz 45 000 Hz. Toto vlnˇen´ı n´aslednˇe postupuje do hrotu. Ponˇevadˇz m´a na energii a s´ılu destrukce vliv mnoho faktor˚ u, existuj´ı r˚ uzn´e typy fakoemulzifikaˇcn´ıch jehel, kter´e jsou pouˇz´ıv´any dle fakoemulzifikaˇcn´ıho u ´ˇcinku. Hroty se na jehl´ach rozliˇsuj´ı podle pr˚ umˇeru, seˇr´ıznut´ı, zahnut´ı anebo zp˚ usobu kmitu. Z´aleˇz´ı i na zkuˇsenostech operat´era, kter´y hrot si vybere, zda seˇr´ıznutˇejˇs´ı k vˇetˇs´ı destrukci nebo zahnutˇejˇs´ı k vyˇsˇs´ı kavitaci, kter´e jsou z´aroveˇ n l´epe uˇcinn´e pˇri pohybu dopˇredu, dozadu a do stran. Existuj´ı hroty silnostˇenn´e, kter´e se pouˇz´ıvaj´ı z d˚ uvodu vˇetˇs´ıho fakoemulzifikaˇcn´ımu u ´ˇcinku a tenkostˇenn´e, kter´e snadnˇeji pronikaj´ı do j´adra ˇcoˇcky. [16]

44

Pr˚ ubˇ eh operace katarakty a pouˇ zit´ı fakoemulzifikace na n´ azorn´ ych obr´ azc´ıch

Obr´azek 3.13: Po lok´aln´ım znecitlivˇen´ı oka je skrze mikroˇrez speci´aln´ı pinzetou uvolnˇeno pˇredn´ı pouzdro pro snadn´y pˇr´ıstup k zakalen´e ˇcoˇcce. Pˇrevzato z [38]

Obr´azek 3.14: Zkalenou ˇcoˇcku je nutno odstranit, nebot’ ztratila pr˚ uhlednost. Zde je poˇc´ateˇcn´ı f´aze rozdˇelen´ı ˇcoˇcky na drobn´e fragmenty a jej´ı ods´av´an´ı pomoc´ı sondy ultrazvukov´eho pˇr´ıstroje. Pˇrevzato z [38]

Obr´azek 3.15: Z´avˇereˇcn´a f´aze odstranˇen´ı zbytk˚ u zkalen´e ˇcoˇcky a doˇciˇstˇen´ı zadn´ı ˇc´asti pouzdra. Pˇred t´ım, neˇz dojde k aplikaci nov´e ˇcoˇcky, mus´ı b´yt pouzdro zbaveno vˇsech drobn´ych ˇc´ast´ı ˇcoˇcky. Pˇrevzato z [38]

45

Obr´azek 3.16: Implantace mˇekk´e akryl´atov´e nitrooˇcn´ı ˇcoˇcky pomoc´ı injektoru do ˇ cka d´ıky sv´e tvarov´e pamˇeti zaujme bˇehem uvolnˇen´eho prostoru v pouzdˇre. Coˇ nˇekolika vteˇrin p˚ uvodn´ı tvar. Pˇrevzato z [38]

Obr´azek 3.17: Spr´avn´e uloˇzen´ı implantovan´e ˇcoˇcky do pouzdra a odstranˇen´ı pomocn´eho viskoelastick´eho materi´alu. R´any se uzavˇrou pomoc´ı hydratace a cel´y z´akrok je hotov. Pˇrevzato z [38] R Vision System Pˇ r´ıstroj Infiniti R Vision System firmy Alcon je pˇ Pˇr´ıstroj Infiniti r´ıstroj pro oˇcn´ı chirurgii konstru-

ovan´y pro snadn´e, bezpeˇcn´e a spolehliv´e uˇz´ıvan´ı a nab´ız´ı tˇri metody odstranˇen´ı R OZil R torzn´ R a vysokatarakty pomoc´ı n´astavc˚ u AquaLase , ıch, NeoSoniX

ce u ´ˇcinn´ych ultrazvukov´ych n´astavc˚ u. Pˇr´ıstroj je navrˇzen pro snadnou obsluhu, obsahuje snadno instalovateln´e a udrˇzovateln´e pˇr´ıstrojov´e vybaven´ı, kter´e v kombinaci s programov´ym vybaven´ım pˇrin´aˇs´ı uˇzivateli zv´yˇsen´ı efektivity. R Vision System (viz obr. 3.18) je navrˇ Pˇr´ıstroj Infiniti zen pro odstraˇ nov´an´ı

katarakty chirurgick´ymi metodami mal´e“ incize. Pˇr´ıstroj uˇzivateli umoˇzn ˇ uje ” emulzifikovat a aspirovat ˇcoˇcku pˇri souˇcasn´em nahrazov´an´ı ods´avan´e kapaliny i hmoty ˇcoˇcky vyv´aˇzen´ym soln´ym roztokem. Tento postup udrˇzuje stabiln´ı objem pˇredn´ı oˇcn´ı komory. Pouˇzit´ım ovl´adac´ıch prvk˚ u pˇr´ıstroje chirurg reguluje 46

mnoˇzstv´ı energie aplikovan´e hrotem n´astavce, hodnotu aspirace, vakua a toku iriR nebo BSS Plus. R gaˇcn´ıho roztoku BSS Ovl´adac´ım prvkem pˇr´ıstroje je i ped´al

umoˇzn ˇ uj´ıc´ı chirurgovi kontrolu irigaˇcn´ıho toku, hodnoty aspirace, v´ykonu faka, sekac´ı frekvence vitrektomu a v´ykonu koagulace.

R Vision System, pˇ Obr´azek 3.18: Pˇr´ıstroj Infiniti revzato z [39]

R Vision System je navrˇ Infiniti zen pro pouˇzit´ı pˇri chirurgick´ych z´akroc´ıch v

pˇredn´ım oˇcn´ım segmentu, vyˇzaduj´ıc´ıch simult´ann´ı extrakci ˇcoˇcky, irigaci a aspiraci a pˇridruˇzen´e procedury jako je vitrektomie a koagulace. Pˇr´ıstroj byl vyvinut s dvoj´ım u ´ˇcelem: usnadnit obsluhu a poskytnout chirurgovi rozs´ahlou variabilitu a ovl´ad´an´ı. Pˇr´ıstroj je navrˇzen tak, aby bylo moˇzn´e pˇrizp˚ usobit oˇsetˇren´ı kaˇzd´emu pacientovi. R Vision System patˇ Mezi hlavn´ı vlastnosti pˇr´ıstroje Infiniti r´ı napˇr´ıklad:

• Metody odstranˇen´ı ˇcoˇcky pˇrizp˚ usoben´e podle indikac´ı: R funkc´ - Torzn´ı ultrazvukov´y n´astavec OZil s ı torzn´ı fakoemulzifikace, kte-

rou lze pouˇz´ıvat samostatnˇe nebo spolu s tradiˇcn´ım ultrazvukem. - N´astavec, technologie a pˇr´ısluˇsenstv´ı likvefakˇcn´ıho (zkapalˇ novac´ıho) zaˇr´ızen´ı 47

R AquaLase . R NeoSoniX R kombinuj´ - N´astavec Infiniti ıc´ı vlastnosti ultrazvukov´eho

n´astavce se sonick´ymi oscilacemi. R 40 kHz, piezoelektrick´ - Vysoce v´ykonn´y ultrazvukov´y n´astavec Infiniti : y,

tenk´y, lehk´y, sterilizovateln´y. R • Schopnost ovl´ad´an´ı vysokorychlostn´ıho gilotinov´eho vitrektomu Infiniti .

• Nˇekolik moˇznost´ı ˇr´ızen´ı v´ykonu ultrazvuku vˇcetnˇe kontinu´aln´ıho, pulzn´ıho a burst“ reˇzimu aplikace ultrazvuku i moˇznosti ovl´ad´an´ı prodlevy pulz˚ u. ” • Line´arn´ı ovl´ad´an´ı v´ykonu ultrazvuku pomoc´ı ped´alu v reˇzimech U/S (vysoce u ´ˇcinn´a koncov´a regulace zpˇetnou vazbou). • Line´arn´ı ovl´ad´an´ı aspiraˇcn´ıho toku ped´alem v reˇzimech I/A, Vit a reˇzimech odstranˇen´ı ˇcoˇcky. • Kontinu´aln´ı irigace na pˇr´an´ı uˇzivatele. • Moˇznost pˇrep´ın´an´ı mezi chirurgick´ymi reˇzimy pomoc´ı dotykov´e obrazovky, d´alkov´eho ovl´ad´an´ı a ped´alu. • Zvukov´a signalizace pomoc´ı t´on˚ u potvrzuj´ıc´ıch provozn´ı stav syst´emu. • Hlasov´e potvrzov´an´ı pˇri pˇrechodu mezi chirurgick´ymi u ´ kony nebo reˇzimy. • Ploch´a obrazovka s aktivn´ım dotykov´ym barevn´ym displejem, kterou je moˇzno ot´aˇcet a nakl´apˇet. PROVOZN´I PARAMETRY Fakoemulzifikace Podreˇzimy: Continuous, Burst, Pulse Pohyb hrotu pˇri 100 %: 88,9 ±27 µm Rezonanˇcn´ı frekvence: 38,0±1, 9 kHz Rozsah frekvence pulz˚ u: 0–100 pps D´elka pulzu ”Burst”: 5–500 ms

48

Ultrazvukov´ e (Phaco) n´ astavce Ultrazvukov´e n´astavce Alcon jsou vybaveny pro irigaci, aspiraci a emulzifikaci. Tyto tˇri funkce umoˇzn ˇ uj´ı chirurgovi pˇri odstranˇen´ı ˇcoˇcky souˇcasnˇe udrˇzovat nebo– li doplˇ novat pˇredn´ı komoru, emulzifikovat ˇcoˇcku a aspirovat jej´ı hmotu z oka. R – Spojuje v sobˇ Torzn´ı n´astavec OZil e vˇsechny funkce klasick´eho ultrazvu-

kov´eho n´astavce a nav´ıc poskytuje ultrazvukov´e oscilace. S t´ımto n´astavcem lze pouˇz´ıvat t´emˇeˇr vˇsechny hroty jako u klasick´eho ultrazvukov´eho n´astavce.

R pˇ Obr´azek 3.19: Ultrazvukov´y torzn´ı n´astavec OZil , revzato z [39]

R -– Pouˇ Ultrazvukov´y n´astavec Infiniti z´ıv´a se pro ultrazvukov´e aplikace pˇr´ıstroje R Vision System s hroty Turbosonics . R Infiniti

R pˇ Obr´azek 3.20: Ultrazvukov´y n´astavec Infiniti , revzato z [39]

R NeoSoniX R — Spojuje vˇ N´astavec I nfiniti sechny funkce ultrazvukov´eho

n´astavce a nav´ıc poskytuje sonick´e oscilace. Vyuˇz´ıv´a stejn´e hroty jako ultrazvukov´y n´astavec.

R NeoSoniX , R pˇ Obr´azek 3.21: N´astavec Infiniti revzato z [39]

R Skupina hrot˚ u TurboSonics

Ultrazvukov´e hroty jsou vyr´abˇeny z titanov´e slitiny urˇcen´e pro l´ekaˇrsk´e u ´ˇcely. 49

R aby do Pˇripojuj´ı se k ultrazvukov´ym n´astavc˚ um nebo n´astavc˚ um NeoSoniX ,

ˇcoˇcky pˇriv´adˇely ultrazvukovou energii a napom´ahaly jej´ımu ods´av´an´ı. V z´avislosti potˇreb´ach a technice upˇrednostˇ novan´e chirurgem jsou k dispozici r˚ uzn´e druhy hrot˚ u a jejich zakonˇcen´ı (viz obr. 3.22). R˚ uzn´e druhy hrot˚ u jsou barevnˇe odliˇseny.

R pˇ Obr´azek 3.22: Hroty TurboSonics , revzato z [39]

R VideOverlay, jenˇ Volitelnou poloˇzkou je syst´em Infinity z pˇrij´ım´a provozn´ı R a pˇ parametry z pˇr´ıstroje Infinity rid´av´a je k videosign´alu pˇriv´adˇen´emu z kamery

mikroskopu. Z VideOverlay pak vystupuje obraz z kamery mikroskopu doplnˇen´y zobrazen´ım parametr˚ u pˇr´ıstroje na monitor (viz obr. 3.22). [12]

50

Obr´azek 3.23: Obrazovka pˇripojen´a na VideOverlay

51

Z´ avˇ er Bakal´aˇrsk´a pr´ace shrnuje vyuˇzit´ı ultrazvuku v praxi optika, optometristy a oftalmologa. Ultrazvuk m´a d´ıky sv´emu rozsahu pouˇzit´ı ˇsirok´e uplatnˇen´ı ve vˇsech smˇerech. Pˇri pr´aci optika je nezbytn´e zn´at z´akladn´ı principy ultrazvukov´eho ˇciˇstˇen´ı, aby, pokud se z´akazn´ık zept´a, co se mu bude d´ıt s br´ylemi, mohl srozumitelnˇe tento u ´ kon vysvˇetlit. V oftalmologick´e praxi je ultrazvuk velk´ym pomocn´ıkem pro zobrazen´ı a zjiˇstˇen´ı patologick´ych jev˚ u, at’ uˇz v oku nebo jeho okol´ı. Pˇri vyˇsetˇren´ı ultrazvukem vid´ı l´ekaˇr org´any na monitoru pˇr´ıstroje v re´aln´em ˇcase, obraz si m˚ uˇze zastavit a prov´adˇet r˚ uzn´a mˇeˇren´ı, a d´ıky modern´ı technice umoˇzn ˇ uje pˇr´ıstroj i tisk ultrazvukov´ych obr´azk˚ u. K z´avˇereˇcn´e diagn´oze vˇsak nestaˇc´ı jedna vyˇsetˇrovac´ı metoda, je nutn´e prov´est cel´y komplex klinick´ych vyˇsetˇren´ı a pacienta sledovat jako celek, nikoli jen zobrazen´ı, kter´e z´ısk´ame vyˇsetˇrovac´ı technikou.

52

Seznam pouˇ zit´ e literatury Kniˇ zn´ı publikace [1] ATTA, Hatem R. Ophthalmic ultrasound: a practical guide. 1st ed. New York: Churchill Livingstone, c1996, 156 s. ISBN 0443047731. [2] BYRNE, Sandra Frazier a GREEN, Ronald L. Ultrasound of the eye and orbit. 2nd ed. St. Louis: Mosby, c2002, xiv, 505 s. ISBN 0323012078. ´ S, ˇ Pavel, ZI ˇ ZKA, ˇ [3] ELIA Jan. Dopplerovsk´a ultrasonografie. 1. vyd. Hradec Kr´alov´e: NUCLEUS HK, 1998, 251 s., barev. obr. ISBN 809017535x. [4] GIRARD, Louis J. Ultrasonic fragmentation for intraocular surgery. St. Louis: C.V. Mosby Company, 1979, 285 s. ISBN 0801618371. [5] HAGEN-ANSERT, Sandra L. Textbook of diagnostic ultrasonography. 6th ed. St. Louis, Mo.: Mosby Elsevier, c2006, xviii, 690, 24, 50 p. ISBN 0323028039. [6] HRAZDIRA, Ivo. Struˇcn´e repetitorium ultrasonografie. Praha: Audioscan, 2003, 112 s. ´ [7] HRAZDIRA, Ivo, MORNSTEIN, Vojtˇech. Uvod do obecn´e a l´ekaˇrsk´e biofyziky. Brno: Masarykova univerzita L´ekaˇrsk´a fakulta 1998. 274 s. ISBN 80-210-1822-4. ´ [8] HRAZDIRA, Ivo. Uvod do ultrazvukov´e diagnostiky. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 1993, 102 s. ISBN 802100455x. [9] MORNSTEIN, Vojtˇech, HRAZDIRA, Ivo, BOUREK, Aleˇs. L´ekaˇrsk´a fyzika a informatika: (se zamˇeˇren´ım na zubn´ı l´ekaˇrstv´ı). 1. vyd. Brno: Neptun, 2007, 352 s. ISBN 9788086850023. [10] PALMER, Philip E. Manu´al ultrazvukov´e diagnostiky. 1. vyd. Praha: Grada, 2000, 376 s. ISBN 8071696897. [11] ROZMAN, Jiˇr´ı. Elektronick´e pˇr´ıstroje v l´ekaˇrstv´ı. 1. vyd. Praha: Academia, 2006, 406 s., 24 s. ISBN 8020013083. 53

Kvalifikaˇ cn´ı pr´ ace a firemn´ı publikace R [12] ALCON – Pˇr´ıruˇcka uˇzivatele syst´emu pro oˇcn´ı chirurgii Infiniti

´ Martina. Srovn´an´ı metod optick´e a ultrazvukov´e biometrie. [13] BIOLKOVA, Diplomov´a pr´ace, Masarykova univerzita, Fakulta l´ekaˇrsk´a, Brno, 2011, 71 l. ´ [14] KOZAK, Jiˇr´ı. V´yvoj l´eˇcby katarakty a n´asledn´e korekce. Diplomov´a pr´ace, Masarykova univerzita, Fakulta l´ekaˇrsk´a, Brno, 2012, 75 l. ´ Hana. Biomikroskopie oka. Bakal´aˇrsk´a pr´ace, Masarykova [15] KROUPOVA, univerzita, Fakulta l´ekaˇrsk´a, Brno, 2008, 62 l. ˇ AKOV ´ ´ Eva. Zmˇeny topografie rohovky pˇri operaci katarakty. Di[16] MALIN A, plomov´a pr´ace, Masarykova univerzita, Fakulta l´ekaˇrsk´a, Brno, 2010, 77 l.

Internetov´ e zdroje [17] http://www.ultrazvuk.cz/index.php [18] http://www.fetmed.cz/cz/rubriky/ultrazvukove-vysetreni/ [19] http://www.ultrazvuk.cz/ [20] http://195.39.70.83/dokumenty njh/prirucka cs/index soubory/Page1362. htm [21] http://www.all4vets.eu/products/ultrazvukova-cisticka-vyhrievana-/ [22] http://www.ultrasonic-cleaner.cz/ [23] http://www.hw.cz/teorie-a-praxe/dokumentace/cisteni-ultrazvukem.html [24] http://www.ultrazvukovacisticka.cz/ [25] http://cs.wikipedia.org/wiki/Ultrazvuk [26] http://www.cistickyultrazvukove.cz/ [27] http://www.ultrazvuk-sro.cz/ [28] http://laboratore.elisabeth.cz/ultrazvukove-cisticky-sonic.html 54

[29] http://www.nnm.cz/2011/?rezim=pacient&id=aktualita& akt=20120210043437 [30] http://www.kubena.cz/text/o-nas/pristrojove-vybaveni.php [31] http://www.medicalexpo.com/ [32] http://www.propedeutika.cz/met pristroje.html [33] http://legacy.revoptom.com/index.asp?page=2 1680.htm [34] http://www.ophthalmologymanagement.com/ [35] http://www.ajronline.org/doi/full/10.2214/AJR.04.1842 [36] http://www.fnbrno.cz/nemocnice-bohunice/ocni-klinika/ ultrazvukove-pracoviste/t1937 [37] http://www.nemji.cz/prubeh-operace/d-3975/p1=1059 [38] http://www.gemini.cz/zakroky/operace-sedeho-zakalu/ popis-prubehu-operace/ [39] http://www.dmeyemd.com/alcon infiniti vision cataract removal.htm

55