Az ultrahangos diagnosztikai készülékek alapjai
Varga Sándor 2015
Az ultrahang terjedése
A közeg tulajdonságaitól és a gerjesztés módjától függ, hogy az ultrahang milyen hullám formájában terjed
Folyadék Testszövet Szilárd anyag
Felületi
Gáz
A közvetíthető hullámfoma Longitudinális
A közeg
Transzverzális
Egy megállított pillanat
Sűrűsödés
Sűrűsödés
Ritkulás
Ultrahang nyaláb
Ritkulás
λ hullámhossz
Δx rezgési amplitúdó
c az ultrahang sebessége
f az ultrahang frekvenciája
Δx = 5 – 50 nm
Testszövetben c = 1400-1600 m/s
A diagnosztikában f = 2-20 MHz
λ = 0,075 – 0,75 mm
Tömeg A nyaláb belsejében az oldalirányú rugók nem játszanak szerepet
Rugó
A szomszédos térfogatrészek közötti rugóra jellemző adat: κ (kompresszibilitás [m2/N])
A térfogatrész tömegére jellemző adat: ρ (sűrűség [kg/m3])
A longitudinális ultrahangrezgés tulajdonságai
Az ultrahangot közvetítő közeg jellemzői (Csillapításmentes közeg)
κ a kompresszibilitás [m2/N]
ρ a sűrűség [kg/m3]
Az akusztikus impedancia gyakorlatias kiszámítása,
és mértékegysége
Homogén közegben terjedő ultrahang csillapodása (2.36)
[W/m2]
I0 kiindulási intenzitás Ix intenzitás x út megtétele után [W/m2] x a megtett út [m] β elnyelési tényező [m-1]
(2.37)
A dB-ben mért csillapítás arányos a megtett úttal és a b csillapítási tényezővel, ami természetesen a β elnyelési tényező függvénye:
A diagnosztikában I = 0,1-100 mW/cm2
(2.38)
Az ultrahang érzékelők a p hangnyomással arányos jelet adnak. Az intenzitás és a hangnyomás kapcsolata: (2.39)
Az intenzitás csillapítása a nyomás amplitúdók arányával kifejezve:
Közeg
c
ZA
b
[m/s]
[kg/m2sx10-6]
[dB/(cmMHz)]
343
412x106
1,2
1480
1,48
0,0022
Olaj (SAE 20/30)
1740
1,4
0,95
Vér
1570
1,6-1,7
0,18
Zsír
1475
1,33
0,6
Lágy szövet
1540
1,35-1,7
0,3-1,5
Agy
1560
Máj
1549-1570
1,65
0,9
Izom
1580
1,7
1,2-3,3
Csont
3600
6,12
20
PZT piezokerámia
4000
31
Sárgaréz
4440
36
Alumínium
6320
17,1
Levegő Víz
(20°C)
(20°C)
0,85
8,4
2.2. táblázat. Néhány anyag akusztikus tulajdonságai
A testszövetek csillapítása Víz 2MHz Víz 10MHz
1 0,9 0,8 0,7
Ix/Io
0,6
Zsír 2MHz
0,5
Máj 2MHz
0,4 0,3
Zsír 10MHz
0,2
Máj 10MHz 0,1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 x [cm]
Az ultrahang intenzitásának csökkenése a megtett út és a frekvencia függvényében
A testszövetek csillapítása dB-ben (logaritmikus mérték) 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
x [cm]
10
Víz 2MHz
0
-10
Zsír 2MHz
-20
Máj 2MHz
[dB]
-30
Izom 2MHz -40
-50
Zsír 10MHz -60
Máj 10MHz
-70
Izom 10MHz -80
A dB-ben való számolás előnye, hogy a különböző rétegeken való áthaladás eredőcsillapítása összeadással számítható
It
Ir It
Ir
Θi
Θt
Θi
Ii ZA2
ZA1 a)
Ii
ZA1
ZA2 b)
2.24. ábra. Az ultrahang reflexiója és transzmissziója két anyag határán (sima felületnél), merőleges (a) és ferde beesésnél (b).
Ir
It
Ir
It Θt
Θi Θi
Ii ZA2
ZA1
Ii
ZA1
a)
Visszaverődés nem sima felületről
ZA2 b)
Fémezés
Kivezetés
Δx
F P
d d
Ug
d
+++++++++++++ P ------------- Q
U
P
Lapka
P a polarizálási irány jele
Δx=kM Ug
d nyugalmi vastagság
kM =200-600 pm/V
a)
b)
Q=kVF U=Q/Cp kV =200-600 pC/N
c)
2.11. ábra. A piezoelektromos átalakító lapka felépítése (a), és működése, mint villamos–mechanikai (b), illetve mechanikai–villamos átalakító (c)
Tömeg
Tömeg
Rugó D
x
Δx
hP
hP
λ/2
Mozdulatlan sík
Δx
U~ a)
x
b)
c)
2.25. ábra. A váltakozó feszültséggel gerjesztett, szabadon álló piezokerámia tárcsa alakváltozása erősen felnagyítva (a), a rezgő rendszer legegyszerűbb modellje (b), és a tényleges elmozdulások a tárcsában (c)
Fémezések gél
A légréteget kiszorító gél (hg≈0)
Piezokerámia tárcsa ZAp
Illesztőréteg ZAm
Hátsó csillapító réteg
Test ZAa
Upiezo hp
hp=λ/2
hm
hm=λ/4
2.26. ábra. A jelátalakító elvi felépítése, és optimális illesztése a testhez
Homogén közeg (test szövet) 50 mm
f0 = 3 MHz λ = 0,5 mm D a)
D1= 2,5 mm
α1
D1
N1 b)
D2= 5 mm
α2
D2 N2
c)
D3= 10 mm
Akusztikus lencse d)
D4= 10 mm
α3
D3 N3
D4
2.27. ábra. Azonos frekvenciájú, különböző átmérőjű piezoelektromos tárcsák sugárzási karakterisztikája (a, b, c), és fókuszálás akusztikus lencsével (d)
Távolság érzékelés visszhang elven • Az adó és a vevő ugyanaz az eszköz (érzékelőfej, transducer). • A kisugárzott ultrahang impulzus rendszerint 3-10 ultrahang periódus. • Az adás után az érzékelőfej vett jelét (visszhangok) erősíteni kell. • A következő adás akkor történjen, amikor már nem érkezik több visszhang.
TI TG Gerjesztő feszültség
t
T0
Kisugárzott ultrahang impulzus Az impulzus burkológörbéje
t
Ultrahang frekvencia f0=1/T0 Az adás ismétlődési ideje TI (Meg kell várni minden visszhang megérkezését)
Adás és vételi jel
τ4 τ3 τ2 τ1
Δx4
Fókusztávolság
Δx1
A kisugárzott longitudinális rezgések amplitúdói
a)
b)
2.29. ábra. A sugárnyaláb elektronikus fókuszálása. A gyűrűkre osztott piezoelektromos lapka szemből nézve (a), és a jelkésleltetésekkel kialakított sugárnyaláb (b).
JelUpiez átalakító o Belső szerv
Vett visszhangok
Upiez Kisugárzott jel o
1
2
3
t
Test
cS
S
cT
T
x
2.28. ábra. Impulzus echó módszerrel előállított visszhangkép
Vett visszhangok
Kisugárzott jel
Upiezo
1
2
3 t
cS cT
x
A visszhang amplitúdója annál kisebb minél távolabbi felületről jön vissza, mert - a hosszabb úton nagyobb a csillapítás - több határfelületen megy át, ahonnét egy-egy része mindig visszaverődik. A visszhang csökkenését a vevő erősítőben, az erősítés fokozatos növelésével lehet kompenzálni.
Kisugárzott jel
Vett visszhangok állandó erősítéssel
Upiezo
t (x)
Au Auma x
A visszhang erősítés időfüggő karakterisztikája Au0 0
t
Au∙Upiezo
A visszhangkép időfüggő erősítés után t (x)
TGC (Time Gain Correction) = Az erősítés időfüggő (távolságfüggő) módosítása
Au Auma x
Folytonosan változtatott erősítés
Au0 0
t
Aumax/Au0= 50 - 60 dB
Au Auma x
Szakaszonként változtatott erősítés
Au0 0
t
TGC karakterisztikák. A karakterisztika beállítása részben automatikusan, részben a kezelő által történik
Érzékelőfej Gél
v cosθ
Bőr
v θ
c
f0 c
Test
f2 Vér
v
2.30. ábra. Véráramlás érzékelése a Doppler-hatás felhasználásával.
Tartalmazza a vezérlő által automatikusan, valamint a kézzel állítható erősítést (TGC)
Megjelenítő 1
Y 2
Z
3 X
a)
Megjelenítő
1
Z
2
Amplitúdó feldolgozó
Vevő 1
Idő/távolság
2
3
Adó Érzékelőfej Vezérlő
Test
3 X b)
11.9. ábra. Vonalmenti letapogatást végző rendszer egyszerűsített blokkvázlata. Y irányú eltérítés a demodulált visszhangamplitúdóval, A megjelenítési mód (a), és fényerő modulációval, B megjelenítési mód (b).
Megjelenítő 1
Távolság 2
3
Mozgó szerv
Y Z
Memória
Amplitúdó feldolg.
Vevő 1
X
2
3
Adó
Idő/távolság
Érzékelőfej Valós idő
Vezérlő Test
11.10. ábra. Vonalmenti letapogatást végző rendszer egyszerűsített blokkvázlata, amely a belső szerv helyzetének időbeli változását jeleníti meg. (M vagy TM kijelzési mód.)
Érzékelőfej (szenzor)
Itt ábrázoljuk jelátalakító piezótárcsára ráadott gerjesztőfeszültség és a visszhang hatására keletkező feszültség időfüggvényét (oszcilloszkóp).
Upiezo Upiezo
Test
0 t
T
A test teljesen homogén
x
Upiezo Upiezo
0 t
T
x
Upiezo Upiezo
0 t
T
x
Upiezo Upiezo A sugárnyalábot akusztikus lencse fókuszálja
0 t
T
x
Upiezo
Kisugárzott jel
Upiezo
Vett visszhang
0 t
T
x A homogén testben nem keletkezik visszhang, csak az érzékelőfejjel szemközti test-levegő átmenetről kapunk visszhangot.
Belső szerv
Érzékelőfej (szenzor)
Upiezo Upiezo
0
Test
t
S
T
A homogén testben egy erősen eltérő akusztikus impedanciájú belső szövet (pl. csont) van.
x
Upiezo Upiezo
0 t
S
T
x
Upiezo Upiezo
0 t
S
T
x
Upiezo Upiezo
0 t
S
T
x
Upiezo Upiezo
0 t
S
T
x Az erősen visszaverő belső szövetről nagy visszhangot kapunk, de a mögöttes rétegek láthatatlanok maradnak.
Belső szerv
Érzékelőfej (szenzor)
Upiezo Upiezo
0
Test
t
S
T
A homogén testszövetben, egy kissé eltérő akusztikus impedanciájú belső szerv van.
x
Upiezo Upiezo
0 t
S
T
x
Upiezo Upiezo
0 t
S
T
x
Upiezo Upiezo
0 t
S
T
x
Upiezo
Vett visszhangok
Kisugárzott jel
Upiezo 1
0
2
3
t
S
T
x Minden szövethatárról kapunk visszhangot.
Upiezo
Vett visszhangok
Kisugárzott jel
Upiezo 1
0
2
3
t 1
S
cS
2
cT
T 3
x Az S szövetben a terjedési sebesség nagyobb mint a T szövetben ezért az S szövet jelenléte, a visszhangképben kissé torzítja a testlevegő határfelület (3) helyét.
Pásztázó ultrahang nyaláb előállítása (szkennelés) (2.27 ábra.)
A visszhangkép, az érzékelőfej tengelyvonala által átdöfött rétegek távolságát (mélységi elrendeződését) és minőségét ábrázolja. A folyamat természetesen jelentősen lassítva látható.
Automatikusan végigfut!
Csuklós karrendszer szögés útadókkal
Vizsgált test
Íves pásztázás az érzékelőfej mozgatásával
Forgó szerelvény három piezó lapkával
Álló sugárzó ház
Íves pásztázás motoros forgatással
Olaj
Forgó szerelvény három piezó lapkával
Álló sugárzó ház
Olaj
Forgó szerelvény három piezó lapkával
Álló sugárzó ház
Olaj
a)
b)
c)
11.12. ábra. A síkbeli szkennelés néhány megvalósítása: Az érzékelőfejen belül mozgó sugárzóval (a), a nyaláb oldalirányú eltérítése késleltetéssel (b), és a gerjesztett érzékelő szegmensek léptetésével (c). Mindhárom megoldás használja a dinamikus fókuszálást is. Fölül a sugárzó piezo elemeinek elrendezése szemből nézve látható.
A visszhangkép minőségi jellemzői (2.3.7 fejezet)
• • • • • •
Holt tér (minimálisan érzékelhető távolság) Axiális és laterális felbontás Kontraszt felbontás Távolságmérés pontossága Zaj stb
Kisugárzott jel A legközelebbi megkölönböztethető visszhang
Upiezo
t
Érzékelőfej
Reflektáló felület
Bőr
x
Xmin Holt tér Az ebben lévő rétegek nem érzékelhetők
Laterális felbontás A sugárra merőleges síkban megkülönböztethető legkisebb méret. (A sugár átmérőjétől függ.)
Kisugárzott jel Upiezo
t
Érzékelőfej
Bőr
Xmin
x
ΔX
x
Radiális felbontás A megkülönböztethető legkisebb sugár irányú rétegvastagság vagy pozíció. (A visszhang hosszától függ.)
Kisugárzott jel Upiezo
t
Xmin
Érzékelőfej
x
Xmin Upiezo
t
ΔY
x
Laterális felbontás A sugárra merőleges síkban megkülönböztethető legkisebb méret. (A sugár átmérőjétől függ.)
Kisugárzott jel Upiezo
t
Érzékelőfej
Bőr
x
Kontraszt felbontás A még érzékelhető visszhangot okozó legkisebb akusztikus impedancia különbség.
Kisugárzott jel
Vett visszhangok állandó erősítéssel
Upiezo
t (x)
Au∙Upiezo
A visszhangkép időfüggő erősítés után
t (x)
Az időfüggő erősítés visszaállítja a távoli visszhang amplitúdóját, de a távolsággal romlik a jel/zaj viszony
Vége
