Ultrazvuk v biologii a medicíně

Nejvíce badatelských týmů působí ve vývoji diagnostických lékařských metod, které se proto neustále zdokonalují přístrojově i metodicky. Vedle toho se objevuje stále více prací pojednávajících o nových terapeutických možnostech ultrazvuku o vysokých intenzitách.

Lékařská diagnostika

V lékařské ultrazvukové diagnostice – ultrasonografii – jednoznačně převládají tzv. duplexní zobrazovací systémy, které spojují výhody ultrazvukové tomografie, tj. akustického zobrazení příčného řezu tkáněmi, s dopplerovským měřením parametrů toku krve. Ultrazvuková tomografie je dvojrozměrným zobrazením akustických rozhraní, od nichž se odrážejí ultrazvukové impulzy. Při současném dopplerovském měření (“barevný doppler″) je relativní pohyb krve vůči sondě vysílající ultrazvuk zobrazován pomocí různobarevných polí uvnitř řezů cévami či srdcem. V cévách lze pomocí tohoto barevného kódování rozlišit i laminární a v podstatě patologické turbulentní proudění krve. Ve zvolených místech řezu pak lze získat rychlostní křivky i další diagnosticky cenné informace.

Vyšší rozlišovací schopnost moderních ultrasonografických přístrojů umožňuje ve stále větší míře provádět vedle běžných vyšetření též invazivní zákroky diagnostického či léčebného charakteru. Přibývá proto punkcí (např. tělních dutin a cyst ve tkáních), nástřiků různých léčiv do hluboce uložených tkání, zavádění cévek i cílených odběrů tkání, které se provádějí za průběžné kontroly ultrazvukovým zobrazovacím přístrojem. Zvyšuje se i prognostická funkce ultrazvukových vyšetření, a to zejména při posuzování stavu srdečně-cévního systému, např. aterosklerotických změn cévních stěn. Lze sledovat také přihojování různých transplantátů či odmítavou reakci organizmu na ně. Dopplerovská měření na krkavicích a některých jiných cévách v oblasti hlavy umožňují i nepřímo posoudit krevní zásobení centrálního nervového systému, který lze s ohledem na lebeční kosti vyšetřovat u dospělých jen nesnadno. Vysokofrekvenční sondy (s frekvencí 10 až 20 MHz) s vysokou rozlišovací schopností se stále častěji uplatňují nejen v očním lékařství, ale i při neinvazivních histologických vyšetřeních např. kůže či stěn vnitřních orgánů, kdy však je nutné zavést sondu do jejich nitra. Přibývá i aplikací ultrazvuku v oblasti porodnictví a gynekologie, kde je ultrasonografie jedinou bezrizikovou zobrazovací metodou a kde má již takovou důvěru lékařů, že její výsledky (např. nález vývojové poruchy plodu) mohou představovat hlavní argument pro umělé přerušení těhotenství.

Pokrok v miniaturizaci vyšetřovacích sond umožnil, aby byly zaváděny do tělesných dutin nebo přímo do cév, včetně cév koronárních. Lékař tak získává možnost posuzovat např. stav cévních stěn s aterosklerotickými pláty a sledovat průběžně účinnost odstraňování těchto plátů. Tzv. intraoperační ultrazvuk se stává vodítkem chirurga pro volbu dalšího postupu v méně přehledném operačním poli.

Specifickým projevem soudobých snah o zkvalitnění ultrazvukového zobrazení i dopplerovských měření jsou tzv. ultrazvukové kontrastní prostředky. Jde o farmaka na bázi stabilizovaných plynových mikrobublin nebo emulzí, které jsou injikovány do cév či některých tělesných dutin v průběhu ultrazvukového vyšetření. Takto bylo sice dosaženo zvýšení odrazivosti struktur, které jsou v popředí diagnostikova zájmu, vynořila se však řada nových problémů. Dosti intenzivně byl sledován např. průchod kontrastních prostředků plicními kapilárami, posuzuje se možnost mikroembolizace tkání i možné riziko z navození destruktivní ultrazvukové kavitace ve vyšetřovaných orgánech. První ultrazvukové kontrastní prostředky jsou již i komerčně dostupné. Nejrozšířenější z nich je patrně Albunex, (Molecular Biosystems, Inc., San Diego, CA), který je tvořen vzduchovými bublinami stabilizovanými “obálkou″ utvořenou z molekul sérumalbuminu.

Přestože výzkum je intenzivní, dosud se nepodařilo prokázat poškození vyšetřovaných objektů diagnostickým ultrazvukem. Za extrémních experimentálních podmínek lze však takové poškození navodit. Největší pozornost je věnována možnosti tepelného poškození vyšetřované tkáně. Rizikovým faktorem je i kavitace, avšak při standardních vyšetřeních je její vznik málo pravděpodobný.

Fyzika a biofyzika aktivního ultrazvuku

Základními aktivními projevy ultrazvuku v kapalných prostředích jsou produkce tepla a vznik kavitace. Ve výzkumu tepelných účinků s žádnými většími překvapeními asi nelze počítat. V oblasti kavitace, kterou rozumíme ultrazvukem buzené radiální kmity plynových mikrobublin, je však situace jiná. Práce Američanů Barbera, Puttermana a jejich spolupracovníků vnesly jistý zmatek do vcelku ustáleného chápání procesů uvnitř kmitající kavitační bubliny. Donedávna převládala představa, že v nitru kavitační bubliny rozkmitávané ultrazvukem probíhá proces, který lze matematicky popsat a dospět tak k realistickým hodnotám tlaků a teplot dosahovaných uvnitř bubliny. Rámcově lze jistě říci, že při zmenšování poloměru bubliny se její obsah stlačuje, vnitřní tlak a teplota roste, dosahuje řádově tisíců kelvinů a přítomné molekuly se rozpadají na volné radikály. Při expanzi bubliny dochází k opačným procesům. Bylo známo, že přibližně v okamžiku dosažení nejmenšího poloměru produkuje bublina viditelné světlo – tzv. sonoluminiscenci. Uvedení autoři však využili nedlouho předtím vyvinutou metodu prostorové stabilizace jediné plynové mikrobubliny v poli stojatých ultrazvukových vln. Kmity této bubliny jsou snímány odraženým laserovým paprskem. Současně použili citlivý detektor světla k tomu, aby mohli souběžně sledovat záblesky sonoluminiscence vznikající při kompresi této bubliny. Přesnými měřeními prokázali, že k záblesku sonoluminiscence dochází těsně před dosažením minimálního poloměru bubliny. Navíc zjistili, že tento záblesk je nesmírně krátký – kratší než padesát pikosekund. Díky těmto výsledkům vážně utrpěla těžce probojovávaná představa, že sonoluminiscence je vlastně rekombinačním zářením doprovázejícím zánik volných radikálů v prvních okamžicích expanze, a tedy i prudkého ochlazování obsahu bubliny. Uvažuje se o tzv. implodující rázové vlně plynu uzavřeného uvnitř bubliny a vznik záření se připisuje nějakému blíže nespecifikovanému kooperačnímu jevu.

Možná právě tyto výsledky jsou příčinou současného odklonu teoretiků od klasického ultrazvuku a jejich zvýšeného zájmu o jev fyzikálně velmi příbuzný, totiž kavitaci buzenou rázovými vlnami při litotripsi. Tento druh kavitace přitahuje i experimentující biofyziky. Vedle sledování rizik litotripse je jejich pohnutkou asi i určitá perspektiva využití rázových vln pro odstraňování zhoubných nádorů a možná i jiných chorobných ložisek. Několik týmů experimentuje s látkami, které by mohly zvýšit účinnost fokusovaných rázových vln proti buňkám zhoubných nádorů.

Terapeutické aplikace vysokofrekvenčního ultrazvuku

Na používaní ultrazvuku pro rehabilitační fyzioterapii různých onemocnění pohybového ústrojí a při několika dalších indikacích se v zásadě nic nemění. Netradičně se však objevuje snaha využít ultrazvuku pro řízené uvolňování léčiv z implantovaných nosičů. Snad ještě zajímavější jsou pokusy zesílit trombolytický účinek některých léčiv (např. streptokinázy) při časné léčbě infarktu myokardu rozpuštěním krevní sraženiny. Pokusy prováděné in vitro se zatím jeví velmi nadějně a diskutuje se o tom, zda jde o účinek tepelný či jiný.

Rušněji je v oblasti aplikací vysokofrekvenčního (kolem 1 MHz) intenzivního fokusovaného ultrazvuku. Několikasekundové “dávky″ ultrazvuku, jehož intenzita dosahuje v ohnisku i více než 10 000 W.cm^–2, velmi rychle zničí tkáň kombinovaným tepelným a kavitačním účinkem. Tento efekt je znám sice již několik desítek let, avšak jeho úspěšné terapeutické aplikaci dosud bránila fatální nejistota, zda ohnisko je v nitru organizmu skutečně lokalizováno ve tkáni, která má být zničena. Dnes jsou k dispozici dvě metody, které skýtají dostatečné záruky. Součástí terapeutického systému totiž může být přímo sonda ultrazvukového diagnostického přístroje. Tak je vlastně k nalezení i odstranění chorobného ložiska použito téhož fyzikálního činitele. Zobrazující i terapeutický svazek ultrazvuku je proto shodným způsobem deformován – jako by podle křivé mušky letěla nakřivo i vystřelená kulka. Druhou pomocnou ruku dnes podává i vodíková NMR-tomografie. Jedna z modifikací této zobrazovací metody totiž umožňuje zviditelnit rozdíly teploty v ploše vyšetřovaného řezu organizmem. Aplikační část terapeutického ultrazvukového přístroje může být umístěna do NMR-tomografu společně s pacientem. Při nižší intenzitě ultrazvuku se v těle i na monitoru NMR-tomografu objeví tepelná stopa ohniska ultrazvuku. Její poloha se potom ztotožní s polohou např. nádoru a ultrazvuk se, takříkajíc, pustí naplno. Tato poněkud fantastická vize je v těchto dnech možná již klinicky zkoušenou realitou.

První klinické výsledky byly získány poněkud jednodušší léčebnou metodou, kdy je fokusovaný nebo i nefokusovaný ultrazvuk poněkud nižší intenzity aplikován při nádorech prostaty pomocí zdroje zavedeného per rectum. Ultrazvuková hypertermie (tkáň je absorbovaným ultrazvukem přehřívána až na úroveň potřebnou k usmrcení nádorových buněk) se takto stala perspektivním konkurentem hypertermie mikrovlnné. Měnič vysílající ultrazvuk je intenzivně chlazen, takže teprve ve větší vzdálenosti od něj se tkáň ohřívá v důsledku přeměny akustické energie v teplo.

Léčebné využití nízkofrekvenčního ultrazvuku

Pod pojmem “nízkofrekvenční ultrazvuk″ se obvykle skrývají akustické kmity o frekvenci 20 až 30 kHz. Při těchto frekvencích je podstatně snížena hodnota kavitačního prahu, tj. intenzity ultrazvuku potřebné k vyvolání destruktivních kavitačních jevů. Uplatňuje se i vzájemné ovlivňování jevů kavitačních a tepelných. Zvýšená teplota prostředí vytváří podmínky pro snadnější vznik a rozkmitání kavitačních bublin (např. uvolněním plynů z roztoku a snížením viskozity prostředí). Na straně druhé je v prostoru s intenzivní kavitací ultrazvuk více pohlcován a to vede i k dalšímu nárůstu teploty. Nelze opomenout ani tu skutečnost, že ultrazvuková kavitace může mít dvě formy. První formou je radiální kmitavý pohyb volných bublin v kapalném prostředí. Druhou, kvalitativně odlišnou formou, je kmitání bublin zachycených na pevném povrchu. Z přímých pozorování vysokorychlostní kamerou (až milion snímků za sekundu!) i z důkazů nepřímých (mikroskopie eroze pevných povrchů vystavených kavitaci) plyne, že bublina uchycená na pevném povrchu nekmitá kulově symetricky. V průběhu komprese se hroutí a prolamuje směrem k pevnému povrchu za vzniku mikroskopického paprsku kapaliny, dosahujícího rychlosti až 200 m/s, který působí v místě dopadu takovou silou, že mu neodolají ani titanové slitiny. Lze ukázat, že tato druhá forma kavitace hraje významnou roli při odstraňování zubního kamene ultrazvukem, ale též při litotripsi.

Ultrazvukové dezintegrátory, používané např. pro homogenizaci suspenzí, jsou vybaveny kónickým koncentrátorem, stomatologické nástroje mají podobu stomatologických sond nebo kovových vláken. Ultrazvukové chirurgické nástroje mohou působit kmitajícím ostřím nebo častěji – v případě ultrazvukového aspirátoru – tupým zakončením, které je opatřeno otvorem pro odsávání tkáně ztekucené ultrazvukem v těsné blízkosti povrchu nástroje.

Ultrazvukový aspirátor je asi nejrozšířenějším ultrazvukovým nástrojem používaným ve všeobecné chirurgii. Nejčastěji s ním pracují onkologové při odstraňování primárních nádorů a metastáz z parenchymatózních tkání, jako jsou játra, plíce aj. Obvykle je udávána výhoda rychlého operačního postupu i ve velmi nepřehledném “terénu″. Navíc ultrazvuk poměrně nesnadno rozrušuje tuhé a přitom elastické tkáně s vysokým obsahem kolagenu, k nimž patří např. stěny cév či průdušek, různé vazy a úpony aj. Okolní měkké tkáně jsou však rozrušovány a následně odsávány snadno, čímž se tkáně s vyšším obsahem kolagenu obnažují a chirurg si s nimi pak může snadno poradit jiným způsobem. Ultrazvukový aspirátor má i určitý termokoagulační účinek, který omezuje krvácení z malých cévek.

Jinou metodu kontaktní chirurgie předznamenávají v současné době klinicky testovaná zařízení pro rozrušování aterosklerotických plátů a uzávěrů v cévách. Aplikátor má charakter poměrně dlouhého (až 1 m) ohebného titanového drátu, na jehož konci je titanová kulička. Mechanické vibrace této kuličky jsou provázeny poměrně silnou kavitací, která pomáhá rozrušovat tuhý povrch vápenatých usazenin a obnovovat tak průchodnost cév.

Ve stomatologii jsme svědky nástupu ultrazvukových přístrojů pro odstraňování zubního kamene. V posledních letech se objevily články, které prokázaly, že na mechanizmu rozrušování usazenin na povrchu skloviny se vedle mechanických vibrací podílí i kavitační mechanizmus, zejména kmity bublin uchycených na povrchu usazenin.

Pokrevní příbuzní – rázové vlny

Rázová vlna se liší od vlnění ultrazvukového jednak tím, že se prostředím šíří osaměle jako jediný mohutný tlakový kmit, jednak svým poněkud odlišným tvarem. Trvá kolem jedné mikrosekundy a dosahuje vysokých hodnot kladného okamžitého akustického tlaku, zatímco její záporná tlaková půlvlna je relativně mělká. Elektrickou jiskrou generované rázové vlny litotriptorů mají špičkovou hodnotu kladného akustického tlaku kolem 100 MPa, amplituda záporné tlakové půlvlny je zhruba desetkrát menší, přesto však dostatečná k tomu, aby mohla vyvolat expanzi a následný kavitační kolaps přítomných plynových mikrobublin. Rázové vlny tedy působí na cílový objekt mechanickým stresem – i prostřednictvím kavitace. Aplikace rázových vln je podstatou litotripse extrakorporální rázovou vlnou (LERV) – Extracorporeal shock wave lithotripsy (ESWL). Od r. l980 ušetřila litotripse klasický operační zákrok již milionům pacientů na celém světě. Několik stovek až tisíců rázových vln soustředěných elipsoidním zrcadlem stačí k tomu, aby se žlučníkový nebo ledvinový kámen změnil na písek, který může odejít přirozenými cestami. Přitom míra poškození okolních měkkých tkání je poměrně malá. Přesto je však patrná snaha o rozšíření aplikací rázových vln na nádory, tedy tkáně měkké.

Závěrem něco o riziku

Čas od času proskočí zprávy o tom, že ultrazvuková diagnostika je zdrojem určitého rizika pro vyšetřované objekty. Hovoří se např. o možnostech genetického poškození prostřednictvím chromozomových zlomů nebo výměn sesterských chromatid. Jiné studie poukazují na určité mírné poruchy vyšší nervové činnosti prenatálně vyšetřované populace. Budiž řečeno, že žádné z těchto podezření se dosud (naštěstí) nepodařilo potvrdit, tj. spolehlivě reprodukovat příslušné experimenty či zdůvodnit extrapolaci výsledků získaných in vitro do zcela odlišných podmínek in vivo. U studií opřených o výskyt určitých poruch u vyšetřované populace byly zatím vždy odhaleny zavádějící chyby statistického zpracování podkladových údajů. Ultrazvuková diagnostika proto zůstává jednou z nejbezpečnějších diagnostických metod používaných v lékařství. Ultrazvuková terapie ovšem s určitými riziky spojena je, což však platí o každé terapeutické metodě, která aktivně zasahuje do struktur a procesů uvnitř našeho těla. ¹⁾