Ultraheli piltdiagnostilise meetodina

Ultraheli piltdiagnostilise meetodina on kindlalt juurdunud kliinilises meditsiinis.
Ultraheliuuring on mitteinvasiivne ja patsiendile ohutu, kiiresti teostatav ja hõlpsasti korratav. Eelkõige
on ta aga väärtuslik oma informatiivsuse poolest. Tänapäevased kõrge resolutsiooniga
ultraheliaparaadid peegeldavad inimkeha pehmete kudede ja elundite anatoomiat küllalt tõepäraselt-
samahästi kui mitmeid haiguslikke muutusi neis. Paljudel juhtudel piisab adekvaatse diagnoosi
kinnituseks ainuüksi ultraheliuuringust. Seda nii konventsionaalse kui doppler ultraheli rakenduste
puhul. Vajadusel on võimalik ultraheli kontrolli all teostada nii diagnostilisi kui ka terapeutilisi
interventsionaalseid protseduure.
Värvi- doppler ultraheli võimaldab lisaks reaalkujutisele elundite ja veresoonte ehhostruktuurist
ammutada ka funktsionaalset infot verevoolu füsioloogiast. Verevooluspektrite kõrvalekaldumised
normist kajastavad muutusi elundeis või veresoontes enestes.
Meditsiinidiagnostikas kasutatava ultraheli mõistetest.
Ultra- ladina eesliitena üli- tähistab sonos-ele e. helile eelnedes inimkuulmisläve ületavat
kõrgsageduslikku heli. Kohati esinev saksa- vene- eesti mõiste sonograafia kui arusaam ultraheli
kasutamisest (-graphein, kirjutama) meditsiinidiagnostikas on etümoloogiliselt väär. Ilma ladina
prefiksita ultra- sobib sonograafia tähistama ehk patsiendilt kuuldava anamneesi üleskirjutamist.
Sisule lähemal on südame ultraheliuuringute puhul kasutatav ehhokardioskoopia, s.o. sõna-sõnalt
kajaga südame vaatamine. Ehho-, kaja toob esile meetodi põhiiva, ultraheli peegeldumise erineva
tihedusega kudede piirilt, mis seejärel erinevate modulatsioonidega muudetakse vastuvõetavaks meie
meeleelunditele. Varem homo sapiens’ite poolt loodud tehnikast on imetajad nagu delfiinid ja vaalad
ning nahkhiired kasutanud ehholokatsiooni looduse enda annina. Osad nahkhiired kuulevad enam kui
100 kHz-se sagedusega heli, kusjuures nad ise seda heli ka tekitavad.
Ultraheliaparaatidel on aga ilmtingimata vajalikuks komponendiks ultrahelianduri olemasolu, mis
genereerib ja fokuseerib ultraheli impulsse (või pidevlainet), mis suunatakse uuritava kehasse. Seesama
andur võtab vastu elundite ja kudede piirilt tagasipöörduvad kajad.
Impulss- kaja tehnika puhul määrab aparaat peegeldavate punktide asendi impulsi suuna ja
tagasisaabumiseks kuluva aja järgi. Heli levimiskiiruse järgi saab täpselt määratleda erinevate
koestruktuuride sügavust. Kaja registreeritakse punktidena, mille eredus on võrdeline kaja
intensiivsusega. See on B-modulatsioon, Brightness-modulation, B-mode, praegusel ajal ka enim
levinud ehhosignaalide registreerimise viis. Saadava rohkete hallide varjunditega kujutise järgi
nimetatakse seda õpperaamatutes ka kui gray- scale examination. Teiseks vasteks on reaalkujutis, real-
time picture. Saadetavate ja saabuvate kajade jada on niivõrd kiiresti edastatav ultraheliaparaadi
monitorile, et kujutise vaheldumine toimub inimsilmale tõesti sünkroonselt anduri asetsuse
muutmisega. See ei tähenda, et anduriga peaks patsiendi nahal geeli sisse mudima ägedalt edasi- tagasi
sahmerdades. Vaadata võib kas kindlates projektsioonides, andurit vaid mõõdukalt kallutades või
liikuma peab nahapinnal sujuvalt, mis on eriti oluline just ka veresoonte uurimisel.
Kui ultraheli peegeldub veresoontes voolavatelt punalibledelt, toimub peegeldunud impulsi
sageduse muutus, s.o. Doppleri efekt. Juhul kui andur on konstrueeritud taoliselt, et ta seda
sagedusmuutu oskab vastu võtta ning edastada kasuliku infona vere liikumisest, on meil tegemist
doppler- ultraheli rakendusega.
1

Dupleks tähistab tavalise reaalkujutist andva ultraheli ühendamist doppler- ultraheli võimalustega.
Ilma reaalkujutisel orienteerumise võimaluseta on
doppler- ultrahelitehnika tuntud sama kaua kui ultraheli
kasutamine meditsiinis üldse. See on olnud nn.
“pimedoppler”. Väiksepinnalistes pidevlaine- contniuous
wave(CW) (pliiats)andurites on 2 piesokristalli, millest üks
töötab ultrahelikiire saatjana ja teine peegeldunud signaali
vastuvõtjana. Pidevultraheli emissiooni korral tuleb
kasutada erinevate fokaaltsoonidega konstrueeritud
andureid inimkeha mitmetes sügavustes kulgevate soonte
tabamiseks.
Pidevlaine dopplertehnika on senini edukalt kasutuses,
eelkõige tänu oma odavusele. Vastavad audiaalsed
taskudopplerid võiksid olla kasutusel perearstide seas.
Väga kasulik on see näiteks pöia-õlavarre indeksi
määramisel- edasist uurimist, kirurgilist ravi vajavate
patsientide selekteerimiseks. Spetsiaalne andur on loote
südametoonide kuulamiseks.
Veidi keerulisematel ja kallimatel pidevlaine-
doppleraparaatidel on ka verevoolu spektrite graafiline
väljund. See teeb nad edukalt kasutatavaks just transkraniaalsete arterite uurimisel, mille puhul
impulsslaineline pilti andev ultraheli jääb mannetuks kuna ei läbi hästi koljut. Väikeste laste puhul saab
vaadata läbi fontanellide ka tavalise ultraheliaparaadiga.
Dupleks- ultraheliaparaatide eeliseks nn. "pimedoppleri" ees on see, et ühte andurisse on paigutatud
nii reaalkujutise tekitamiseks vajalik piesokristall kui ka kindla nurga all olev üksik element doppleri
helikiire saatmiseks, mida on võimalik fokuseerida konkreetse veresoone valendikku. Saadav teave on
struktuurne ja funktsionaalne, nii veresoone
anatoomiast kui füsioloogiast verevoolu näol.
Katkestatud e. impulssanduri- pulsed
wave(PW) puhul on sama kristall 0,1 %
tööajast saatjaks, lõviosa 99,9 % aga
vastuvõtjaks (selline ebavõrdsus valitseb ka
B-modulatsioonis töötavatel anduritel).
Pulsslaine- doppleri puhul saab verevoolu
määrata erinevates sügavustes varieerides
aega väljasaadetavate impulsside vahel (PRF-
pulse repetition frequency).
Prefiks tripleks tähistab uuemate
aparaatide võimalust kodeerida voolu
värvilisena otse reaalkujutisel, mis tunduvalt
hõlbustab ja kiirendab tööd sobiva
osamahuvärati paigutamisel uuritavasse
veresoonde. Uuematel anduritel on võimalik ka, et kogu anduri pind võib toimida nii tavapärase kui
doppleri kiire saatja ja vastuvõtjana. Värvimodulatsioonide areng jätkub, välja arendatud on nn. Power
Flow, kus liikumise värving ei olene voolusuunast ja on sensitiivsem. Philipsi firma VDU aparaatidel
ei sõltu värvivool sootuks Doppleri sagedusmuudu printsiibist, vaid on otseselt peegeldatav ning
transformeeritav punaliblede liikumisest kindla ajaviivu jooksul- v = s/ t.
Jutt on juba mitu lõiku füüsikamaiguline. See on ka selge kuna terminid püüavad väljendada
meetodi sisu, mis ei saa üle ega ümber füüsikast.
Ultraheli füüsikalised alused.
Vastuvõtja Transmitter
Fookusala
CW- doppler anduri puhul on
sagedusmuut registreeritav kahe
ultrahelikimbu ristumisalalt.
VDU pilt. Vool veresoones nähtav värvilisena.
Doppleri kiire suunda näitab punktiirjoon.
Sagedusmuudu registreerimine toimub soone
keskelt kahe väikse joonekese vahelt, mis määrab
osamahuvärati sügavuti.
Mis on üldse heli? Paslik koht tuletamaks meelde koolifüüsikat ja akustikat. Akustika (< kr.
akustikos ´kuulmis-´) käsitleb heli tekkimist, levimist ja registreerimist.
Heli on mehhaaniline võnkumine, mis levib tahkes, vedelas või gaasilises keskkonnas.
Vaakumis heli ei levi. Selle poolest erineb heli fundamentaalselt elektromagneetilisest lainest, mis
tühjas ruumis saab levida elektri- ja magnetvälja omavahelisel genereerimisel ja toetusel.
Keskkonnas tekkiva, tekitatava mehhaanilise häirituse edasikandumise protsessi nimetatakse
laineks. Keskkonna osakeste võnkumine lainet edasi kannabki. Helilained kannavad enesega energiat,
mitte ainet ühest kohast teise. Laine on energia transpordi mehhanism.
2

Inimkõne on hingamis- ja artikulatsioonielundite poolt tekitatud õhuvõnkumine. Meile on heli
kuulmis- ja meeleelundite aisting ning kogemus rõhulainete levimisest atmosfääris. Vesi kõlbab ka,
eriti kaladele.
Heli tähtsamad füüsikalised karakteristikud on helikiirus, helirõhk, heliintensiivsus e. tugevus ja
helispekter, s.o. heli moodustavate mitmesuguste sagedustega harmooniliste võnkumiste kogum.
Kuuldavat heli iseloomustavad helivaljus, kõrgus ja tämber.
Kuuldava heli osas eristatakse musikaalset tooni, musikaalset heli, müra ja plahvatust. Puhas
musikaalne toon on sinusoidaalne võnkumine. Mitmete puhaste toonide üheaegsel kooskõlamisel
summeerub juba mittesinusoidaalne võnkumine. Musikaalse heli kõige madalama sagedusega toon
määrab üldise helikõrguse, teised nn. ülemtoonid annavad lisavärvingu ehk tämbri. Kehvast orkestrist
sammu kaugusel on müra, s.o. mitteregulaarne võnkumine enam- vähem sarnaste amplituudidega, kuid
kõikvõimalike sagedustega. Lühiajaline ja tugev helilaine on plahvatus.
Heli levimisel võib toimuda peegeldumine(refleksioon), murdumine, neeldumine(absorptsioon),
refraktsioon, dispersioon, difraktsioon, interferents. Kõige selle tagajärjel heli amplituud ja intensiivsus
kahanevad kuni heli täielikult sumbub. Põhiosa neeldub soojuseks.
Vedelikel ja gaasidel on ruumelastsus ning puudub kujuelastsus. Neis saavad tekkida ainult
pikilained (hõrendused ja tihendused), milles keskkonna osakesed võnguvad laine levimise sihis. Sel
juhul võib helist rääkida kui elastsuslainetest.
Kui osake- partikkel, tõugatuna naaberosakese poolt, liigub piki oma tasakaaluasendit annab ta
müksu endast järgmisele, mis osutab aga teatud vastupanu nii, et meie kujuteldav osake põrkub tagasi
ja otsa teda algselt lükanule. Ultraheli levimisel inimkudedes on keskkonna partiklitena kui
mahuelementidena võetavad miljonite molekulide kogumid.
Heli iseloomustab vibratsioonisagedus. Sagedus on lainetsüklite arv kindlas ajaühikus (harilikult
ühes sekundis).
Üks laine sekundis on üks Herts (Hz).
Tuhat tsüklit sekundis on kiloherts (kHz), miljon võnget sekundis on megaherts (MHz).
Inimkuulmine on piiratud jäädes 16 Hz kuni 20 kHz vahele.
Infraheli on heli sagedusega alla 16 Hz.
Ultraheli jääb sagedusvahemikku 20 kHz - 1 GHz. Hüperheli ületab sagedust 1 GHz.
Sagedus (f)
0 Hz
INFRAHELI
(alla 16 Hz)
16 Hz 20000 Hz
KUULDAV HELI
(16 - 20000 Hz)
ULTRAHELI
(üle 20000 Hz)
3

TABEL: Erinevate (looma)liikide ligikaudsed kuulmispiirid (järjestatud ülemise
kuulmispiiri kasvamise suunas):
Liik
Kuuldavate helide
vahemik
(Hz)
kana 125 - 2000
kuldkala 20 - 3000
kanaarilind 250 - 8000
elevant 16 - 12000
öökull 200 - 12000
inimene 20 - 20000
lammas 100 - 30000
hobune 55 - 33500
Liik
Kuuldavate helide
vahemik
(Hz)
lehm 23 - 35000
jänes 360 - 42000
koer 67 - 45000
kass 45 - 64000
rott 200 - 76000
hiir 200 - 76000
nahkhiir 2000 - 110000
delfiin 100 - 150000
Meditsiinidiagnostikas kasutatav ultraheli jääb 1-15 MHz piiridesse. Märksa suuremad sagedused
võivad olla tajutavad soojana füsioteraapias genereeritavate ja suunatavate ultraheli sageduste juures.
Fokuseeritud ultraheli kasutatakse neerukivide purustamisel. On andmeid ka mikrotsirkulatsiooni
uuringute kohta doppler ultraheli meetodil sagedustega 20- 200 MHz.
Lainekuju s.o. mingi signaali graafiline kujutamine põhiliselt amplituudi ja aja suhtena.
Kõige elementaarsemat laineliikumist illustreerib konstantsete amplituudidega sinusoid, mida on
võimalik tekitada tsüklilisel ostsillatsioonil.
Funktsioon y = sin x graafik avaldub lainekujulisena. Y- vertikaalteljel on osakese edasi- tagasi
võnkumise amplituud. X- horisontaaltelge võib panna väljendama häirituse ruumilist või ajalist kulgu.
Vastavalt sellele saab avaldada kas lainepikkust λ või sagedust f. Pöördväärtusena sagedusele
väljendatakse perioodi τ. Periood on aeg mis kulub üheks täisvõnkeks. Kaugust kahe teineteisele
lähima, samas faasis võnkuva punkti vahel nimetatakse lainepikkuseks. Laine levimiskiirus c avaldub
läbitud maa ja selleks kulunud aja suhtega.
Kuuldava heli puhul määrab amplituud helitugevuse- valjuse. Sagedusest sõltub helikõrgus (karu
mõmisemine versus sääsepinin). Lainevorm annab tämbri. Ülalnäidatud konstantse amplituudiga
laineid naljalt ei kohta, kui neid just tehislikult ei genereerita- nii nagu see ongi pidevlaine ultraheli
puhul.
4

CW- pidevlaine ultraheli- anduris on vaja kahte
elementi- saatjat ja vastuvõtjat.
PW- pulsslaine ultraheli anduris on üks element.
PD- pulse duration, pulsi emissiooni periood.
Impulss- ultraheli põhinäitajaks on impulsi
kordumissagedus PRF- pulse repetition
frequency, millele retsiprookselt vastandub
impulsi kordumisperiood PRP- pulse repetition
period. PRF on tavaliselt enam kui 1000 Hz.
Kui PRF kasvab, PRP lüheneb.
Hõivetsükkel on pulsi kestuse ja vastuvõtu suhe.
CW puhul on hõivefaktor 100 %.
PW puhul on hõivefaktor tavaliselt alla 1 %-i.
Reaalkujutist andvate impulss- ultraheli anduritega
tekitatakse küllalt segaseid lainekujusid, milles
lisaks spetsiifilisele juhtsagedusele τ esineb palju
ebasoovitavaid eel- ja järellainetusi.
Laine faasiline levimine ongi laine levimiskiirus. Piisavalt väikeste amplituudide korral sõltub
kiirus ainult keskkonna mehhaanilistest omadustest, olles praktiliselt mõjustamata lainesagedusest
ja/või lainepikkusest. Viimased on omavahelises seoses nõnda, et mida suurem sagedus- seda
väiksem lainepikkus ning ka lühem maa enne laine täielikku sumbumist.
Meditsiinidiagnostikas kasutatava ultraheli puhul on saadav informatsioon suures osas vaid
pehmete kudedest, kus keskmiseks ultraheli kiiruseks on 1540 m/s.
Sel juhul lainepikkused vastavalt sagedustele 1 MHz- 1,54 mm
3 MHz- 0,51 mm
7 MHz- 0,22 mm.
Kõhu vaatamiseks on tähtis, et ultraheli peegeldaks sügavamaid struktuure, optimaalseimaks
valikuks on 3,5 - 5 MHz- sed konveksandurid. Seevastu pindmiste struktuuride, ka jäsemete veresoonte
vaatamiseks sobivad 5- 7,5 MHz-sed lineaarandurid.
Suuremasageduslikud andurid võimaldavad paremat resolutsiooni, kuna väiksema lainepikkusega
ultraheli peegeldub väiksematelt osakestelt (Rayleigh- Tyndall scattering). Hea resolutsioon antud
kontekstis tähendab parimat pilditeravust, peegelduvad üksikud punktid eristuvad teineteisest täielikult,
ei sula omavahel kokku.
Suuremad sagedused PW puhul kaasavad lisaks väiksemale lainepikkusele lühema pulsi ruumilise
vältuse- spatial pulse length, mis tingib parema pikitelje e. aksiaalse (longitudinaalse) resolutsiooni.
Lateraal (asimuut) e. külgtelje resolutsioon on samuti parem suuremate sageduste juures, sõltudes
suurel määral ka anduri diameetrist ja fokuseerimisest.
Kuigi suuremasageduslikud andurid on igati paremad teravama kujutise saamise seisukohast, on
nende juba nimetatud puuduseks lühem lainepikkus ning seetõttu kiirem sumbumine ja kehvem
penetratsioon. Pindmiselt võib pilt küll terav olla, sügavamalt ei näe miskit. Kompromisslahendustena
töötatakse välja järjest paremaid andureid, mis võimaldavad kasutada mitmeid sagedusi, dünaamilist
fokuseerimist jms., mis jäägu inseneride pädevusse.
Taaskordusena ja jätkuna laine levimisest rõhutaks keskkonna tähtsust, ilma milleta ultraheligi
puhul aeg- ruum suhted olematud oleks. Diagnostilise ultraheli seisukohalt on aga kõige olulisem, et
see keskkond- inimkeha pole mitte ühtlaselt homogeenne, mil puhul organismi sisemusest olulist infot
ei peegeldukski. Samas, kui erinevad koed liialt palju teineteisest erinevad, peegeldub kõik tagasi ja
info piirdub vaid esimese kokkupuutepinnaga, tahapoole jääb kajavari. Diagnostiliselt tänuväärne on
kajavarjust artefakt eelkõige sapi- ja neerukivide avastamisel.
τ
5

Keskkonna meelsust ultraheli leviku suhtes väljendatakse impedantsina

üliheli, mida me ei saa kuulda, muudetakse hoopistükki nähtavaks. Kuid doppleri signaal on muudetav
ka kuuldavaks.
Doppleri signaal on registreeritav audiovisuaalselt. Kuuldav on ta seetõttu, et peegeldub tagasi
muutunud sagedusega, mida põhjustab peegeldumine liikuvatelt objektidelt- inimorganismis peamiselt
veresoontes voolavatelt erütrotsüütidelt.
Sagedusmuut ∆f (100-15000 Hz) on piisava voolukiiruse v juures inimkõrva kuulmistajuvuse
piirides (16Hz-20kHz). Seda transformeerib meile aparaat lahutades naasnud lainesageduse f* anduri
poolt väljasaadetust f0. Näiteks kui anduri sagedus on 5 Mhz ja peegeldunud signaali f* on 4,995 MHz,
siis ∆f = f0 - f*= 5kHz. See on tehniliselt ja seega ka diagnostiliselt õnnelik juhus, et sagedusmuut
kliiniliselt rakendatavate ultrahelisageduste ja füsioloogiliselt esinevate verevoolukiiruste (mõni cm/ s
kuni 5 m/s) vastasmõjul just kuuldavuse piiridesse langeb.
Lisaks kasutatava anduri sagedusele ja mõõdetavale verevoolukiirusele sõltub sagedusmuut
helikiire langemisnurgast θ ja leviku kiirusest kudedes c ∼1540 cm/ s Kõik see on valatud järgmisesse
valemisse.
Doppleri efekt matemaatiliselt, sellest tuletatav verevoolu kiirus.
f v Θ
∆f
=
c
2 0 (cos )
∆f = f0 − f∗
v sinΘ
v =
2 f0 × v(cos
θ)
c × ∆f
∆f
=
⇒ v =
c
2 f (cos θ )
c∆f f0
(cos Θ)
v cosΘ
duplex
B-mode PW
Θ
v
0
Verevoolu kiirusvektor ehitub üles rööpküliku
diagonaalina läbi nurga θ koosinusfunktsiooni.
Praktilises töös on tähtis jälgida, et ultrahelikiire
langemisnurk ei ületaks 60 0 , millest nürinurksematel
lähenemistel võivad sugeneda suured mõõtmisvead.
Üle 60 0 kraadistel nurkadel toimuvad
koosinusväärtuste järsud muutused ja määratavad
voolukiirused võivad osutuda utoopilisteks. Kui
langemisnurk on 90 0 siis cos θ on üldse 0, s.t. ei toimu
relatiivset liikumist ei anduri poole ega eemale. Värvi-
doppleri kujutisel on see ala nähtav musta vööndina.
Kõige parem oleks asuda mõõdetavate objektidega
ühel joonel s.o. cos 0 0 . Seda on enamusel juhtudel
raske saavutada, sest suured veresooned kipuvad
kulgema nahakatetega paralleelselt. Valemis esinev
korrutis 2 tähendab seda, et andur on nii omamoodi
kuulaja, kuid esmalt veel heliallika saatja rollis. Sedasama võib öelda punaliblede kohta.
VDU ühendab eneses impulsslaine doppleriga ammutatavat funktsionaalset, füsioloogilist infot
verevoolu näol tavapärase B-modulatsiooni abil saadava reaalkujutisega anatoomilisest
ehhostruktuurist. Verevool on registreeritav audiovisuaalselt. Vaevalt, et keegi piirdub vaid helilise
väljundiga. Absoluutse kuulmiseta inimesele on üks kord etem näha, kui sada kord kuulda. Korrektselt
jäädvustatud vooluspektrit võib doppler- ultraheliuuringu korral pidada ka kõige objektiivsemaks
informatsiooniks. Selleks, et saada rahuldavat lainekuju uurimiseesmärgiks olevast soonest, tuleb lisaks
peegeldatava piirkonna anatoomiale tunda ja osata käsitleda konkreetset ultraheliaparaati.
Ultrahelipildi saamiseks lihtsamal kujul on vaja andurit. Enne seda- transmitterit, ostsilaatorit,
taimerit. Koos ja pärast- signaali amplifikaatorit ja demodulaatorit. Signaali on vaja rejekteerida,
kompresseerida, kompenseerida, digitaliseerida. Ja saata monitorile.
Praktilisest vaatevinklist jääb anduri ja monitori vahele patsient oma uuritava piirkonna, elundi või
veresoonega. Kui kõhuelundite vaatamisel piisab paljudel juhtudel näiliselt vaid anduri õigest
asetsusest patsiendi nahal, siis veresoonte jälgimisel peab vaataja oskama käsitleda ka mõningaid
paneeli lisanuppe, et saada monitorile vajalik informatsioon.
7