Ultrason Tarihi

Ultrason insan kulağını duyamayacağı kadar yüksek tizlikte ses dalgalarına verilen isimdir. İnsan kulağı ortalama olarak 20 bin Hertz’den yani saniyede 20 bin titreşimden fazla tizlikteki sesleri duyamaz. Sağlıkta ultrason dalgaları kullanarak tanı ve tedavi yöntemleri kullanmak sandığınızdan daha eski yıllarda başlamıştır.

Doğada ultrasonik sesler kullanabilen canlılara verilebilecek en iyi örnek yarasalardır. Yarasalar karanlık mağaralarda çıkarttıkları ultrason dalgalarının yansımalarını dinleyerek yollarını bulabilirler. Yarasaların bu yöntemle yollarını bulduğunu 1794 yılında Lazzaro Spallanzani adlı bir İtalyan biyolog keşfetmişti. Fakat insanlar tarafından ultrason dalgalarının üretilebilmesi ancak 1880 yılında Fransa’da Pierre ve Jacques Curie kardeşlerin piezoelektrik kristallerin üzerlerine bir elektrik voltajı verilmesiyle çok yüksek frekanslarda titreştiklerini keşfetmeleriyle olanaklı oldu.

Ultrason Dalgaları Üreten İlk Cihaz

1914 yılında A.B.D.’de Reginald Fessenden tarafından denizlerin derinliklerinin taranması amacıyla piezoelektrik kristaller kullanılarak ultrason dalgalarının gönderilmesi ve geri alınması prensibiyle çalışan bir araç üretildi. Bu cihaz üç kilometre içindeki derin denizlerde bulunan buz kitleleri konusunda denizciler için uyarıcı olabiliyordu. Bu arada Birinci Dünya Savaşı’nın patlak vermesiyle Fessenden tarafından icat edilen araç yeniden geliştirilmeye başlandı. Fransa’da Paul Langévin ve araştırmacı ortağı Rus asıllı Constantin Chilowsky’in çalışmaları sonucunda günümüzde kullanılan sonarların atası kabul edilebilecek “hidrofon” isimli bir araç üretildi. Bu yıllarda Rusya’da bilim adamı Sergei Y. Sokolov tarafından verilen bilgilere göre birçok ülkede aynı anda üretilen bir başka araç da ultrason dalgalarını kullanarak metaller üzerindeki çatlakları anlama konusunda işçilere yardımcı oluyordu. O günlerde yüksek frekanslarda çalışabilen elektronik devreler üretilemediği için bu araçların etkinlikleri kısıtlı olmak zorunda kalmıştı.

Ortamlar arasında enerji taşıma özelliği olan ultrason dalgalarının günümüz teknolojisine göre oldukça ilkel yöntemlerle üretilmeye başlanması o zamanların yenilikçi doktorlarının da ilgisini çekmeye başlamıştı. 1940’lı yıllarda A.B.D.’de Dr. William Fry ve Dr. Russell Meyers tarafından ultrason dalgaları beyin ameliyatlarında kullanılmaya başlandı. 1950’li yıllarda ise dünyanın birçok yerinde ultrason sayısız hastalık için fizik tedavi aracı olarak kullanılmaya başlandı. Bu hastalıkların arasında mide yanması, eklem ağrısı, cilt hastalıkları, hemoroid, idrar kaçırması hatta kalp sıkışmaları vardı. Aslında dokularda ısı üreten bir enerji kaynağı olan ultrasonun bu hastalıkların bazılarında hastaların yakınmalarını azalttığı durumlar da oluyordu. Fakat bu biçimde kullanılan ultrasonun dokularda bazen zarar oluşturduğu ve hastalıkları gerçekten tedavi etmediğinin anlaşılması fazla zaman almadı.

Ultrasonun Tanı Yöntemi Olarak Kullanılması

1947 yılında Avusturya’da çalışan Dr. Karl Theo Dussik ve fizikçi kardeşi Friederich Dussik, ultrason dalgalarını insan hastalıklarında tanı yöntemi olarak kullanmak için çalışmaya başladılar. Dussik kardeşlerin kullandığı araçta ultrason dalgası üreten kısım hastanın vücudunun bir tarafında dalgaları alan kısım ise tam karşı tarafta bulunuyordu. Böylece dokulardan geçen ultrason dalgaları karşı tarafta tekrar elde edilerek oluşan potansiyel farklılıklarının ısıya duyarlı bir kağıt üzerinde grafik izdüşümü çıkarılmaktaydı. Böylece Dussik’in eline sadece siyah ve beyaz noktalardan oluşan bir görüntü geçiyordu. Dussik kardeşler bir konuda hata yapmışlardı, incelemelerini daha çok kafatası ve beyin üzerine yoğunlaştırmışlardı. Kafatası içindeki organlar günümüzün son derece hassas ultrason cihazlarında bile görülmemekte. Zaten daha sonra 1952 yılında Almanya’da ve A.B.D.’de Dussik’in başka araştırmacılar tarafından bu çalışma yeterli bulunmadı fakat Dussik’in yaptığı bu düzenek dünyada tanı amaçlı olarak ultrason dalgaları kullanılan ilk araç oldu. Daha sonraki yıllarda özellikle Avrupa’da birçok araştırmacı ultrason dalgaları kullanan tanı araçları üretmeye çalıştı fakat parasızlık, savaş ve yeterli teknolojinin olmaması bu çalışmaların bir sonuca varmadan durmasına neden oldu. Bu yıllarda A.B.D. Ordusu’nun desteğiyle gizli olarak devam ettirilen başka bir çalışmadan dünya kamuoyu 1949 yılında haberdar oldu. Bu çalışma orduda teğmen olarak görev yapan fizikçi George Ludwig tarafından yapılmıştı ve kullanılan araç radar veya sonarlarda olduğu gibi dalga gönderip yansıyan dalgalarla elde edilen bilgileri bir ekranda göstererek çalışıyordu.

Ludwig gerçekten çok sistemli olarak çalışmıştı, örneğin ürettiği aracı denemek için hayvan organları kullanmıştı. Ludwig’in kullandığı araç günümüzde hiç kullanılmayan “A Modu” denilen ilkel bir görüntüleme yöntemi kullanıyordu. Çalışması üzerindeki gizlilik 1949 yılında kaldırılmasından sonra Greenwood and General Precision Laboratories adlı A.B.D. Şirketi ilk ticari ultrason cihazı üretimine geçti. Bu aracın günümüzde de olduğu gibi, kalp atışının ölçülmesi, böbrek ve safra kesesi taşları veya vücuttaki yabancı cisimlerin saptanması gibi durumlarda kullanılması öneriliyordu. Ludwig tarafından yapılan çalışmalar ve sonradan üretilen araç ile günümüzdeki teknolojinin temelleri atılmış oluyordu. Bu yıllardan sonra ultrason üzerindeki çalışmalar sadece tıp konusunda değil teknolojinin her dalında çok hızlandı. Böylece ultrason kullanan çamaşır makineleri, gaz analizi, delme işlemleri ve sterilizasyon (mikropların öldürülmesi) yapan araçlar üretildi. Bu yıllarda çok daha etkili piezoelektrik transdüserler üretildiği gibi elektronik araçlarda lambalar yerine yarıiletken denilen malzemelerle üretilmiş diyot ve transistörler yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Bu sıralarda sadece A.B.D. değil Çin, Finlandiya ve Almanya gibi birçok ülkede araştırmacı veya doktorlar ultrason cihazını geliştirmeye çalışıyordu.

1953 yılında ultrasonun tanı yöntemi olarak kullanılması konusunda iyi bir haber yine A.B.D.’den geldi. Cerrah John Julian Wild ve elektrik mühendisi John Reid elde taşınabilen ve 15 megaHertz frekansında çalışan bir ultrason cihazı üretti. Bu cihaz kadınlarda memelerde görülen kitleleri gösterebiliyordu. Bu araştırmacılar 1955 yılında rektal ve vajinal yoldan ultrason yapılabilen başka bir araç ürettiler. Bu araç teknik olarak yetersizdi ve tanı amaçlı bile olsa bu yolların kullanılması toplumda büyük tepki yarattı. Bu yüzden ikili ayrıldı ve bu öncü çalışmalar da durmuş oldu. Fakat bir süre sonra John Reid yeniden ultrason konusunda çalışmaya başladı ve kardiyolog Claude Joyner’la birlikte dünyada ilk kez kalbin çalışmasının ultrasonografik görüntülerini elde edebilen günümüzde “ekokardiograf” denilen cihazı üretti.

İki Boyutlu Görüntüler

Bu tarihlerde üretilen ultrason cihazları doktorlara genel olarak bir sonar gibi sadece yansımaların görüntülerini veriyordu. Günümüzde kullanılan klasik ultrason görüntülerine benzer yani iki boyutlu görüntüler 1957 yılında önce Dr. Douglass Howry daha sonra Dr. Joseph Homles tarafından icat edilen ultrason cihazları sayesinde olanaklı oldu. Bu iki aracın kullanılması için hasta bir su tankına giriyor ve araç hasta etrafında dönerek görüntü oluşturuyordu. Böylece ilk kez karın içindeki organların kolaylıkla anlaşılacak biçimde görüntülenmesi başarılmış oldu. Homles daha sonraki yıllarda çalışmalarını geliştirerek ultrason probunu eklemleri olan bir kola yerleştirmeyi ve bunu hasta üzerinde dolaştırarak görüntü elde etmeyi başardı. Böylece hastalar su tanklarından kurtulmuş oluyordu.

Aynı yıllarda Japonya’da Kenji Tanaka ve Toshio Wagai adlı cerrahlar başka mühendislerle birlikte benzer özellikte bir başka ultrason cihazı üretmeyi başardılar. Bu ekibin yaptığı cihaz radarlara benzer bir görüntü veriyordu fakat daha kullanışlıydı. Bu ekip çalışmaları sonucunda ortaya çıkan cihazı ticari olarak üretmeye başladılar, böylece Japonya’da ve dünyada ilk ultrason üretici şirketlerinden biri ortaya çıkmış oldu.

Ultrasonun Kadın Sağlığı Konusunda Kullanımı

Dr. Ian Donald
Dr. Ian Donald

Daha önce bahsettiğimiz Dr. John Wild, 1954 yılında İngiltere’de ultrasonun tanı amaçlı kullanılmasıyla ilgili bir tıbbi seminere konuşmacı olarak çağırıldı. Dinleyicilerin arasında teknik konulara çok meraklı kadın hastalıkları ve doğum uzmanı Ian Donald da vardı. John Wild’i dinleyen Donald, savaşta elde ettiği radar ve sonarla ilgili bilgileri de ekleyince aklına ultrason cihazını gebelikleri incelemek için kullanmak geldi. Dr. Ian Donald’ın gerçekten renkli bir kişiliği vardı, babası ve dedesi de doktordu. Tıp fakültesine İskoçya’da başlamış, Güney Afrika’da bitirmişti. İkinci dünya savaşına katılmış, oldukça tehlikeli durumlarda savaşmıştı. Daha sonra İngiltere’ye dönen Dr. Ian Donald çeşitli hastanelerde hasta muayenesine başlamış ve cihazlarla yaptığı deneyler yüzünden arkadaşları arasında “çılgın doktor” olarak anılıyordu.

John Wild’ın seminerinden sonra ultrasonla çalışan metallerde çatlak detektörünü hastalar üzerinde kullanmaya başladı. Daha sonra meslektaşı Dr. John MacVicar, teknisyen Tom Brown’la birlikte bir ultrason cihazı üretti ve bununla kadın hastalar üzerinde çalışmalara başladı. Bu ekibin ilk elde ettiği görüntüler kötüydü ve diğer doktorlar arasında fazla kabul görmedi. Fakat bir gün midesinde tedavi edilemez bir kanser olduğu söylenen bir hastada ameliyatla kolayca alınabilecek bir yumurtalık kisti olduğunu kanıtlamaları ile Dr. Donald bir anda çok popüler oldu. Böylece kullandığı ultrason cihazını klinik içine getirdi ve birçok hastada kullanmaya başladı. Dr. Ian Donald çalışmalarını daha ileri götürerek dünyada ilk olarak yeni doğan bebeklerde bıngıldak (Tıpta “fontanel”) üzerinden ultrason yaparak bebeğin beynini inceleme yöntemini bulan ilk kişi oldu.

Ultrason Patlaması

1960’lı yıllarda bütün dünyada çok sayıda şirket tıbbi görüntüleme amaçlı ultrason cihazları üretmeye başladı. Japonya’da Aloka, Avusturya’da KretzTechnik gibi birçok yeni şirket kuruldu veya Japonya’da Toshiba veya Almanya’da Siemens gibi eski şirketler ultrasonla tıbbi görüntüleme konusuna girdi. 1969 yılında Viyana’da (Avusturya) dünyada ilk kez uluslararası “Tıpta Ultrasonla Tanı Yöntemi” isimli bir kongre düzenlendi. Bu kongreye yukarıda adından bahsettiğimiz doktorlar yanında konuyla ilgili yüzlerce başka uzman katıldı. 1974 yılında İngiltere’de Dr. Ellis Barnett ve Dr. Patricia Morley tarafından dünyada ilk kez bir ultrasonografi kitabı yayınlandı.

Bu tarihlerde üretilen ultrason cihazlarında çoğu eklemli bir kol üzerine monte edilmiş problar ve bunların hastayla daha iyi teması için su torbaları kullanıyordu. Bu yıllarda ultrasonografi yöntemi için neredeyse her ülke ve doktor farklı bir isim kullanıyordu. Örneğin, Avustralya’da “ekogram”, Japonya’da “ultrasono-tomogram”, A.B.D.’de “sonogram” veya “ekoskop” gibi isimler kullanılıyordu. Sonraki yıllarda bütün dünyada “ultrasonografi” veya “ultrasonogram” veya kısaca “sonografi” veya “sonogram” kullanımı çabucak yerleşti. Bu sırada özellikle elektronikte olan hızlı gelişmeler yüzünden ultrason cihazları giderek daha çok işlevli olmaya başladı.

Anne karnındaki bebeklerin ölçümleri yapılmaya, hatta çeşitli sakatlıklar saptanmaya başlandı. Bunun yanında Doppler ultrason denilen damarlar ve kalp içinde akan kanın hızını hesaplayabilen yöntem icat edildi. Ultrason cihazları bu yıllarda günümüzdeki kadar gelişmiş olmasalar da, gebelikler, kalp hastalıkları, göz, damar hastalıkları veya iç hastalıkları gibi konularda bütün dünyada yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Bu yıllarda en önemli sorunlardan biri olan standartlaşma konusunda da ilk adımlar atılmaya başlandı. Örneğin çeşitli hesaplarda kullanılan sesin canlı insan dokularındaki hızı, bütün dünyada araştırmacılar ve şirketler tarafından 1540 m/s olarak kabul edildi.

İnanılmaz Yenilikler Devam Ediyor

1970’li yıllarda görüntülerde gri renk yelpazesi (İngilizcede “grey scale”) kullanılmaya başlandı. O zaman kadar görüntüler kağıt veya ekran üzerinde siyah veya beyaz noktalar halinde izlenebiliyordu. 1978 yılında Japonya’da Aloka Şirketi 32 gri renk yelpazesi gösterebilen cihazlar üretmeye başladı. Yine 1978 yılında yine Japonya’da Hitachi Şirketi tarafından, o günlerde bilgisayarlarda kullanılmaya başlanan mikro işlemciler ultrason cihazlarında da kullanılmaya başlandı. Mikroişlemci olarak Intel veya Motorola tarafından üretilen yongalar kullanılıyordu. Ultrason cihazlarında da kullanılan Intel tarafından üretilen ünlü 8080 mikroişlemcisi içerisinde 6000 adet transistör içeriyordu. Ayrıca bazı cihazlarda kullanılan “beyaz üzerinde siyah” görüntüler kullanıcıların gözlerini çok yorduğu için günümüzde olduğu gibi “siyah üzerinde beyaz” görüntüler kullanılmaya başlandı.

Hareketli Ultrason Görüntüleri

Ultrason cihazlarının ilk geliştirildiği 1970’li yıllardan itibaren hareketli iki boyutlu görüntü (İngilizcede “real time”) elde edilmeye çalışılmıştı. Bu yıllarda cihazların teknik yetersizlikleri yüzünden önemli bir başarı elde edilememişti. Kabul edilebilir derecede güzel hareketli görüntüler oluşturabilen ve ticari olarak başarılı olan ilk ultrason cihazı 1975 yılında A.B.D.’de Martin H. Wilcox tarafından kurulmuş, Advanced Diagnostic Research Corporation (ADR) adlı şirketin “2130” modeliydi. Şirket bütün dünyada bunlardan 5000 adet satmayı başarmıştı. Bu cihazın probu içinde 506 kristal vardı ve o zamanlara göre gerçekten kaliteli görüntüler oluşturuyordu.

Bu yıllarda üretilen yeni teknolojileri kullanan cihazlar eski modellere daha küçük, hafif ve ucuzdular. Hareketli görüntüler sayesinde anne karnındaki bebeklerin daha iyi görüntüleri elde edilmeye başlandığından sakatlıklar için kolaylıkta tanı konulmaya başlandı. Bu konuda doğum öncesi tanı (Tıpta “Prenatal Tanı”) adı verilen yeni bir ultrasonografi yöntemi ortaya çıktı.

Doppler Ultrason

Doppler ultrason, sabit duran bir alıcıya, örneğin prob içindeki bir sensöre, hareketli bir kaynaktan ulaşan ses dalgalarının titreşim sayısının hıza göre değiştiği ilkesine göre çalışır. Bu ilke Avusturyalı fizikçi Christian Andreas Doppler tarafından 1842 yılında keşfedilmişti. Bu özelliği kullanarak Doppler ultrason yapabilen bir cihaz, damarların içindeki kan veya kalbin çeperleri gibi hareketli organları algılayabilir ve bu hareketin sayısını veya hızını ölçebilir. Ultrason yoluyla damarlar içindeki kan akımını ölçme çok eskiden beri uygulanan bir yöntem olduğu halde bu özelliğin gebeliklerde kullanımı ancak 1964 yılında başlamıştı. Bu yıllarda üretilen cihazlarla daha çok bebeklerin kalp atımı saptanmaya çalışılıyordu. 1968 yılında Japon doktorlar H. Takemura ve Y. Ashitaka, Doppler etkisiyle kordon kanının hareketlerini saptamayı başardı.

1981 yılında Finlandiyalı doktorlar Pentti Jouppila ve Pertti Kirkinen, bebeklerin kordonundaki toplardamar (Tıpta “ven”) kan akımının gelişme geriliği olduğu durumlarda bozulduğunu buldu. İngiltere’de 1982 yılında Dr. Stuart Campbell ve Dr. David Griffin benzer ölçümleri bu kez bebeklerin kordonlarındaki atardamarlar (Tıpta “arter”) üzerinde yaptı. Böylece doğum öncesi tanı için doktorlara yardımcı olabilecek çok önemli bir yöntem geliştirilmiş oldu. Daha sonraki yıllarda Doppler ultrason yönteminin hareketli görüntüler üzerinde yapılmaya başlanmasıyla doktorlar için büyük kolaylık sağlandı. Doppler ilkesi kullanılarak kan akımı da görüntü üzerinde renkli olarak gösterilebilir. Renkli görüntüler doktorların dokular içinde damarları bulmasında kolaylık sağlar.

İlerlemeler 1990’lı Yıllarda Devam Etti

Bu yıllarda piyasaya daha önceden kullanılan kristallerin düz bir sırada yerleştirildiği lineer probların yanında “Konvex” tipte yani piezoelektrik kristallerin bir çemberin parçasını oluşturacak biçimde yerleştirildiği problar piyasaya çıktı. Bu dönemde özellikle büyük şirketlerin ürettiği güçlü ultrason cihazlarında görüntü kalitesi çok yükseldi. Görüntü kalitesinin yükselmesi ise özellikle anne karnındaki bebeklerin hastalıklarında erken tanı konulması açısından doktorlar için büyük kolaylıklar sağladı. Bu dönemde artık bebeklerin vücutlarındaki en ufak bir değişiklik rahatlıkla ultrason cihazlarıyla izlenebiliyordu. Örneğin bebeğin kalbinin çalışması ultrason cihazlarının Doppler işlevleriyle incelenip, kalbin yapısındaki bozukluklara daha anne karnındayken tanı konulabiliyordu.

1992 yılında Dr. Kypros Nicolaides ve arkadaşları anne karnındaki 11-14 haftalık bebeklerde ense kalınlığı (İngilizcede “Nuchal translucency”) ölçülmesinin anlamlı olduğunu kanıtladı. Bu çalışma için milimetrenin onda biri kadar küçük aralıkları hassas olarak ölçebilen ultrason cihazları gerekiyordu ve bunlar çoktan üretilmişti. Bu yıllarda sadece gebeliklerde değil, rahim ve yumurtalık hastalıklarında da ultrason cihazlarının ilgili damarlardaki Doppler ölçümleri veya bir iğne kullanılarak sıvı örneği alınması için görüntüleme yapılması gibi birçok karmaşık işlerde kullanılması için çalışmalar yayınlandı.

Ve Sonunda Üç Boyutlu Ultrason!

Ultrason görüntülerinin özellikle gebelikte yapılan ultrason sırasında elde edilen görüntülerin üç boyutlu olarak oluşturulması için ilk olarak 1970’li yıllarda denemeler yapılmıştı. İlk başarılı üç boyutlu görüntüler 1984 yılında Tokyo Üniversitesi’nde Kazunori Baba tarafından yaratıldı. Baba’nın yöntemi iki boyutlu kesitlerin bir bilgisayar yardımıyla birleştirilmesine dayanıyordu. Prob hareketlere duyarlı kol üzerinde hareket ediyor sonuçta üç boyutlu görüntülerin ekranda görüntülenebilmesi için 10 dakika beklemek gerekiyordu.

1989 yılında Avusturya’da bulunan Kretztechnik Şirketi tarafından üretilen Combison 330 adlı ultrason cihazı başarılı olarak üç boyutlu görüntüler oluşturabilen ilk ticari model olarak piyasaya sunuldu. 1993 yılında yine aynı şirket Viyana Üniversitesi’nde çalışan Wilfried Feichtinger ve daha sonra Alfred Kratochwil yardımıyla ikinci nesil ultrason cihazını Voluson 530D adıyla piyasaya sundu. Bu cihazlar eş zamanlı görüntü oluşturamıyordu, yani ekranda görülen görüntüler hareketsizdi. 1996 yılında A.B.D.’de California Üniversitesi’nde Thomas Nelson and Dolores Pretorius hareketli gibi görünen ultrason görüntülerini oluşturmayı başardılar. Bu ekibin cihazında 3D görüntüler bir belleğe depolanıyor ve istenildiğinde arka arkaya gösterilerek hareket etkisi yaratılıyordu.

Kretztechnik Şirketi 1996 yılında Medison Şirketi tarafından satın alındı ve Voluson serisi cihazların üretimi hızlandı. Bu yıllarda üç boyutlu görüntü oluşturan cihazları üretmek konusunda diğer şirketler isteksizdi ama Medison tarafından üretilen bu güçlü cihazların ürettiği göz alıcı görüntüler bu konuya karşı bir ilginin oluşmasını sağladı. 2000’li yıllara doğru dünyada yirmiden fazla merkezde bu konuda çalışmalar yapılıyordu. Bu yıllarda A.B.D.’de ATL ve General Electric Şirketleri de ilk üç boyutlu (3D) ultrason cihazlarını ürettiler.

Devamında bilgisayar teknolojisinin gelişmesi ve daha etkili görüntü oluşturma yazılımlarının oluşturulmasıyla hareketsiz üç boyutlu görüntüler bazı şirketler tarafından 4D olarak adlandırılan eş zamanlı (realtime) hareketli görüntülere dönüştü. Üç boyutlu görüntüler gebe kadınlar doğum gerçekleşmeden bebekleriyle tanışmalarını sağlamış oldu. Böylece ultrason önce hareketli iki boyutlu daha sonra hareketli üç boyutlu görüntüler sayesinde ailelerin kalbini fethetmiş oldu. Ünlü sinema oyuncusu Tom Cruise’un eski eşi Kate Holmes’un gebeliği sırasında evine ultrason cihazı aldığını ve anne karnındaki bebeğe sık sık ultrasonla baktıklarını biliyor musunuz?Son