Kaikukuvantamisen fysiikkaa

Ultraääni on ääntä, jonka taajuus on ihmisen kuulokynnyksen (20 – 20 000 Hz) yläpuolella. Lääketieteellisessä kaikukuvantamisessa käytettävän ultraäänen taajuus on yleensä 2 – 15 MHz. Ultraääni tuotetaan hyödyntämällä pietsosähköistä ilmiötä. Ultraäänilaitteen anturin kärjessä on kiteitä, jotka värähtelevät ultraääntä tuottaen, kun niihin johdetaan sähköä. Kudoksesta takaisin heijastuvat ääniaallot aiheuttavat kiteisiin osuessaan jälleen värähtelyä, josta tuotetaan ruudulla nähtävä kaikukuva. Mitä voimakkaampi palaava kaiku on, sitä kirkkaampi kuva ruudulle muodostuu. Kaiun palaamiseen kuluvasta ajasta ultraäänilaite määrittää kohteen syvyyden (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Kohteesta muodostuvan kaikukuvan kirkkaus riippuu ensisijaisesti väliaineen ominaisuuksista. Ultraääni kulkee parhaiten homogeenisessa ja tiheässä väliaineessa, kuten nesteessä, joka tuottaa lähes mustan kaikukuvan. Kaikukuvan kirkkaus onkin läheisessä yhteydessä kudoksen vaimennuskertoimeen, joka kuvaa ultraääniaaltojen vaimenemisnopeutta tietyssä kudoksessa (kuva 2). Vaimenemista tapahtuu myös erilaisten kudosten välisissä rajapinnoissa, ja nämä kuvantuvat usein varsin kirkkaina (pallea kuvassa 2). Ultraääni etenee erittäin huonosti ilmassa sironnan vuoksi. Tämän vuoksi geelin käyttäminen on tärkeää: pienikin ilmamäärä potilaan ihon ja anturin välissä heikentää kaikukuvan laatua merkittävästi (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014)

Kuva 2. Vaimennuskertoimia biologisille väliaineille. Mitä suurempi väliaineen vaimennuskerroin on, sitä kirkkaamman kuvan se tuottaa. Oikealla potilaan oikean ylävatsan kaikukuva, jossa nähdään maksakudosta (2), kirkaskaikuista selkärankaa (1) ja patologisena löydöksenä tummakaikuista pleuranestettä (3). Myös pallea (4) kuvantuu kirkkaana (Noble & Nelson 2011). Kaikukuva: The POCUS Atlas.

Ultraäänen taajuus vaikuttaa sen kuvantamisominaisuuksiin. Korkeataajuuksinen ultraääni tuottaa resoluutioltaan eli erottelukyvyltään tarkkaa kuvaa. Toisaalta se myös menettää kudoksessa energiaansa nopeasti. Sillä voidaan mielekkäästi kuvantaa vain melko pinnallisia kohteita. Matalampitaajuista ultraääntä käytettäessä resoluutio on heikompi, mutta se läpäisee kudoksia paremmin ja soveltuu hyvin syvempien kohteiden kuvantamiseen (Noble & Nelson 2011).

Ultraäänianturit

Ultraäänilaitteisiin on saatavilla useita erilaisia anturityyppejä, jotka eroavat toisistaan käyttötarkoituksen, koon, muodon, kiteiden määrän ja asemoinnin sekä ultraäänitaajuuksien suhteen. Vierikaikukuvauksessa käytetyimmät anturit ovat konveksi- eli vatsa-anturi ja lineaari- eli pinta-anturi (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Konveksianturissa kiteet on järjestetty konveksille kaarelle ja muodostuva kaikukuva laajenee kohti syvempiä rakenteita (kuva 3A). Konveksianturia käytetään yleensä vatsan alueen kuvantamiseen. Käytettävät taajuudet ovat suhteellisen matalia (2 – 8 MHz), jolloin kudosläpäisevyys on riittävä syvien rakenteiden kuvantamiseksi (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Kuva 3. A) Tavallisimmat anturityypit ja niiden luomat kaikukuvaprojektiot. B) Tukeva ja hienovaraiset liikkeet salliva ote anturista.

Lineaarianturissa kiteet on järjestetty suoraan linjaan. Kuva muodostuu anturin levyisenä suorakaiteena. Lineaarianturia käytetään lähinnä pinnallisten kohteiden kuvantamiseen sekä ultraääniavusteisissa toimenpiteissä. Lineaarianturit mahdollistavat korkeiden taajuuksien (4 – 18 MHz) käytön, jolloin pinnallisia rakenteita voidaan kuvantaa korkealla resoluutiolla (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Sydämen kuvantamiseen käytetään phased array- eli sydänanturia. Kiteet on järjestetty tiiviisti ja anturin pää on pieni, jolloin on mahdollista kuvantaa sydäntä kylkiluuväleistä. Ultraääniaallot luovat sektorimaisen kaikukuvan, jossa sydän kuvantuu lähes kokonaisuudessaan (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Hyvä ja tukeva ote anturista on tärkeä, sillä tutkittavan kohteen löytäminen vaatii usein melko hienovaraisia liu’utus-, kierto- tai kallistusliikkeitä. Kun kohde löytyy, anturi täytyy pystyä pitämään paikallaan. Hyvässä perusotteessa kolme ensimmäistä sormea pitelevät anturia kynäotteen tapaan, ja loput sormet sekä kämmensyrjä vakauttavat otteen potilaan ihoa vasten (kuva 3B).

Ultraäänilaitteen kuvantamistilat ja asetukset

Ultraäänilaitteissa on useita vaihtoehtoisia kuvantamistiloja, joista vierikaikukuvantamisen kannalta tärkeimmät ovat (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014):

• B-mode-tila (brightness) on ultraäänilaitteen normaalinäkymä, reaaliaikainen kaksiulotteinen harmaan sävyissä toistuva leikekuva anturin alla olevasta kudoksesta.
• M-mode-tilassa (motion) voidaan tarkkailla erilaisten rakenteiden liikettä. Käyttäjä asettaa M-moden kapean kuvantamissäteen tutkittavan rakenteen kohdalle, jolloin laite piirtää säteen kohdalta palaavat kaiut kuvan y-akselille, ja x-akseli edustaa aikaa (kuva 4A). Tätä voidaan hyödyntää muun muassa ilmarinnan ja sydämen toiminnan arvioinnissa.
• Color doppler -toiminnolla voidaan tarkastella erilaisia virtauksia (kuva 4B). Kun ultraääni heijastuu liikkuvasta kohteesta, sen taajuus muuttuu (Doppler-ilmiö). Color doppler -tilassa tämä taajuusmuutos kuvannetaan väreinä, yleensä punaisena ja sinisenä. Väri riippuu siitä, onko virtaus kohti vai poispäin anturista. Toimintoa voidaan käyttää muun muassa verisuonirakenteiden tunnistamisessa ja sydämen läppävuotojen arvioinnissa.

Kuva 4. A) M-modea voidaan käyttää mm. ilmarinnan diagnostiikassa. Vasemmassa paneelissa normaali löydös, jossa pleuralehtien liike piirtää hiekkarantaa muistuttavan M-moden kuvan. Oikeassa paneelissa ilmarintalöydös, ns. barcode sign. Lähde: The POCUS Atlas. B) Color doppler -toimintoa voidaan käyttää erilaisten virtausten arviointiin. Kuvassa mitraalivuoto. Lähde: Jayanth Keshavamurthy, Radiopaedia.org, rID: 49315.

Ultraäänilaitteessa on myös useita asetuksia, joilla kuvaa voidaan kohdistaa ja optimoida halutun näkymän löytämiseksi. Asetusten nimissä ja niiden sijainnissa laitteen hallintapaneelilla on jonkin verran laitekohtaista vaihtelua. Keskeisimpiä asetuksia on listattu alla (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014):

• Depth-asetuksella säädetään kaikukuvanäkymän syvyyttä kudoksessa. Kaikukuvan sivulla näkyy yleensä mitta-asteikko, jonka avulla voidaan arvioida rakenteiden kokoa ja syvyyttä.
• Freeze-toiminnolla voidaan pysäyttää kaikukuva lähempää tarkastelua varten. Useimmat laitteet tallentavat kaikukuvaa painallusta edeltäviltä sekunneilta, jolloin sitä voidaan myös selailla.
• Measure-toiminnolla voidaan pysäytettyyn kuvaan asettaa kaksi pistettä, joiden välimatkan laite ilmoittaa. Toiminnolla voidaan arvioida erilaisten rakenteiden ja patologioiden kokoa, esimerkiksi vatsa-aortan aneurysman halkaisijaa tai askiteskerroksen paksuutta. Useissa laitteissa on toimintoja myös pinta-alojen määrittämistä varten ja valmiita ohjelmia esimerkiksi virtsarakon tilavuuden määrittämiseen.
• Gain-asetuksella säädetään koko kaikukuvan kirkkautta.
• TGC (time gain compensation) mahdollistaa kuvan kirkkauden säätämisen eri syvyyksillä. Syvemmistä kudoksista palaavat kaiut ovat vaimentuneet pinnallisia enemmän. Tästä syystä kaikukuva tummenee asteittain syvemmälle mentäessä, vaikka väliaine pysyisi homogeenisena. Useimmat ultraäänilaitteet kompensoivat tätä ilmiötä automaattisesti lisäämällä alakentän kirkkautta. TGC-toiminnolla käyttäjä voi itse säätää eri syvyyksien kirkkautta.
• Zoom-toiminnolla voidaan suurentaa jotakin kuvan osaa. Tämä ei kuitenkaan paranna suurennoksen resoluutiota.
• Focus-toiminnolla voidaan säätää kuvan korkeimman tarkkuuden (focal zone) syvyyttä. Kaikukuvan sivulla näkyy yleensä nuoli tai viiva osoittamassa korkeimman tarkkuuden kohtaa.
• Frequency-asetuksella käyttäjä voi valita anturin lähettämän ultraäänen taajuuden. Esimerkiksi vatsa-anturi voi olla säädettävissä 2 – 4 MHz taajuudelle. Korkeamman taajuuden ultraääni tuottaa suuremman resoluution ja puhtaamman kuvan, mutta sen kudosläpäisevyys on heikompaa kuin matalataajuisen ultraäänen. Suositeltavaa on valita korkein mahdollinen taajuus, jolla saavutetaan kuvantamisen kohteen kannalta riittävä syvyys.
• Optimization-toiminnolla ultraäänilaite pyrkii automaattisesti optimoimaan näkymän säätäen kaikkia ylläolevia asetuksia. Tämä on usein hyvä lähtökohta, jota käyttäjä voi edelleen hienosäätää.
• Presettings eli ennakko- tai valmisasetukset ovat laitteen valmistajan tiettyyn kuvantamistarkoitukseen optimoituja asetuksia. Esimerkiksi sydänasetuksessa kuvataajuus (frame rate) on korkea, mikä helpottaa sydämen liikkeen arviointia. Tämä kuitenkin huonontaa jossain määrin kuvanlaatua. Usein on mahdollista myös luoda omia valmisasetuksia.

Artefaktit

Artefakti on kuvailmiö ilman anatomista korrelaatiota. Kaikukuvantamisessa artefaktien taustalla voi olla käytettävä laitteisto, käyttäjävirhe, fysiologiset tai kuvantamistekniset syyt. Artefaktit ovat merkittävä virhetulkintojen lähde ja niiden yleisyys on syytä tiedostaa. Aito anatominen kohde näkyy yleensä useasta suunnasta kuvannettuna. Artefakteja voidaan käyttää myös hyödyksi joidenkin patologioiden tunnistamisessa. Yleisiä artefakteja ovat kaikukirkastuma, kaikukatve ja peilikuva-artefakti.

Kun ultraääni kulkee heikosti vaimentavan rakenteen läpi, rakenteen takana olevasta kudoksesta palaavat kaiut ovat voimakkaita ja näkyvät poikkeuksellisen kirkkaina kaikukuvassa. Esimerkki kaikukirkastumasta ovat virtsarakon posterioriset rakenteet (kuva 5A). Kaikukirkastumaa voidaan käyttää hyväksi erilaisten patologisten nestekertymien kuten verenvuotojen ja nivelnestekertymien tunnistamisessa (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Kuva 5. A) Katkoviivalla ympäröity kaikukirkastuma virtsarakon posterioripuolella. Kuva: www.radiologyassistant.nl. B) Kaksi pinnaltaan kirkaskaikuista suurta sappikiveä (nuolet) jättävät alleen kaikukatveet (nuolenkärjet). Sappirakon posterioripuolella nähdään myös kaikukirkastumaa. Lähde: The POCUS Atlas.

Kaikukatve syntyy, kun ultraääniaallot kohtaavat ääntä voimakkaasti vaimentavan ja heijastavan kohteen. Tällöin kohteen taakse syntyy tumma varjo ja usein kohteen pinta näkyy samasta syystä kirkaskaikuisena (kuva 5B). Muun muassa luurakenteet ja sappikivet tuottavat kaikukatveita (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Ultraäänitekniikan ominaisuuksien takia tietyt ultraääniaaltoja voimakkaasti heijastavat rakenteet tuottavat peiliartefaktin kyseisen rakenteen posterioriselle puolelle. Tyypillinen peiliartefaktin synnyttäjä on pallea (kuva 6) (Noble & Nelson 2011, Ma ym. 2014).

Kuva 6. Maksakudosta ja siinä näkyvä pyöreä metastaasi (nuoli), josta kirkaskaikuinen pallea luo peiliartefaktin (nuolenkärki) pallean posterioripuolelle, missä todellisuudessa on ilmatäyteistä keuhkokudosta. Lähde: Ayush Goel, Radiopaedia.org, rID: 26560.