5/3/2012
Kiegészítő anyag (videók) Ruben féle cső (Ruben’s Ruben-féle (Ruben s tube): http://www.youtube.com/watch?v=gpCquUWqaYw Doppler UH (diagnosztikai cél): http://www.youtube.com/watch?v=FGXZG-j_Hfw http://www.youtube.com/watch?v=UpsmEnYOju8 Nagy intenzitású, fókuszált UH (terápiás használat): http://wn.com/High-intensity_focused_ultrasound http://www.youtube.com/watch?v=f6vqqHD8Vh0 http://www.youtube.com/watch?v=unDJVQI2cuM& HIUS
Ultrahang Fizika Biofizika II. félév Fizika‐Biofizika II félév Orbán József PTE ÁOK Biofizikai Intézet Biofizikai Intézet 2012. április
Képek forrása: www.robaid.com/bionics/bat-biosonar-biomimicry-for-improved-sonar-technology.htm
1
5/3/2012
? ! ? Hogyan mérhetünk hanggal távolságot/mélységet?
Mi határozza meg az UH felvételen egy adott pont fényességét?
Ultrahang készülék
Képek forrása: http://e-discountmedical.com/wordpress/?page_id=129 https://www.eemedicals.com/ultrasound-c-50.html?page=3&alpha_filter_id=71&sort=3a
2
5/3/2012
Color doppler: Transzducer felé: meleg szín Transzducertől el: hideg szín Kisebb sebesség: sötétebb szín Nagyobb sebesség: világosabb szín
Köldökzsinór erek
Doppler
„A vonatfütty hangjának ‘hajlása’ az egyik jele annak, hogy a vonat nem ütött el minket." http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/lectures/spectroscopy.htm
3
5/3/2012
Ultrahang - érdoppler Áramlási érdoppler
f f f0 2 f0
v' cos v UH
f0 = 8 MHz f = 7,994 MHz
Hangszóró
∆f = 5,4 kHz Transducer
Bőr
f
∆f Θ f0
vUH v’
Ér
v ' 75 cm s v UH 1540 m s 45 f0 8 MHz
Ultrahang - Doppler 1842: Christian Doppler Doppler ultrahang: Mozgó felületről reflektált UH frekvenciája különbözik az eredeti frekvenciától.
v' f f0 1 vUH
f= reflektált UH frekvenciája f0= eredeti frekvencia vUH= UH terjedési sebessége a közegben v'= reflektáló felület sebességének az UH terjedés irányába eső komponense
A vizsgálat folytonos UH sugárzással történik: Doppler eltolódás: f - f0
v f f0 v ' UH 2 f cos
v'= vér áramlási sebessége vUH = UH terjedési sebessége a közegben f-f0= Doppler eltolódás = az UH nyaláb és a véráram tengelye által bezárt szög
Alkalmazások: 1. Doppler echocardiográfia 2. Érdoppler, áramlásvizsgálat 3. Magzati szívhang vizsgálata
4
5/3/2012
Ultrahang – Doppler echocardiográfia Szinkódolt Doppler echocardiográfia
BK
JK JP BP
Ao
Aorta insuffitientia
A hang 0 Hz
20 Hz
infra 0
2 MHz UH diagnosztikai 20 MHz
20 kHz
tüdő
u 2000
3000
l 4000
zsír
víz
r
a
5000
6000
1600
7000
v (m/s)
üveg/fém
1500
1400
t
csont
epekő
f (Hz)
tartomány
hallható 1000
Hanghullám: longitudinális mechanikai hullám! (rezgés)
1700
vér
• tovaterjedéshez kell egy rugalmas közeg (rezgésbe jött részecskék): levegő, gáz, folyadék, szilárd, DE! vákumban nem
5
5/3/2012
2D B-kép Egydimenziós B‐képek sorozata. A kiválasztott felület végigpásztázása egydimenziós echoméréssel (tomográfia).
3D rekonstrukció 2D‐metszeti B‐képek sorozata
Számítógépes algoritmusok: műtermékek kiszűrése, jobb megjelenítés
Műtermékek: • Két erősen reflektáló felületről az UH többször oda‐vissza verődhet. • A törés miatt egy határfelület mögött található visszaverő tárgy a valóditól eltérő irány alatt látszik. • A hibásan kalibrált hangsebesség esetén a tárgy képe megnyúlik, vagy zsugorodik (ld.: a metanollal vagy glicerinnel töltött dobozok hossza)
6
5/3/2012
Transzducer = jelátalakító egyik polaritás kábel külső burkolat
tompító egység
elektródák, MHz-es váltófeszültség
táp/adat kábel
piezoelektromos kristály λ/2 kristály, másik polaritás kábel
akusztikai szigetelő
műanyag ‘orr’
Kép forrása: http://www.genesis.net.au/~ajs/projects/medical_physics/ultrasound/index.html
Az UH keletkezése: inverz piezoelektromos hatás ― +
+
―
―
Piezoelektromos kristály: • természetes kristály (pl.: kvarc) (pl : kvarc) • mesterséges kristály (kerámialapka, pl.: PZT: ólom‐cirkonát‐titanát) Direkt piezoelektromos jelenség (mechanikai deformáció töltésszétválasztás feszültség)
+ +
― +
+
―
―
+
―
Inverz piezoelektromos jelenség (váltakozó feszültség töltésszétválasztás mechanikai deformáció UH) legjobb válasz: rezonancia frekvencián
7
5/3/2012
UH impulzusok Impulzus ismétlés:
1 ms «» 1 kHz k
μs
(ultra) hang terjedése közegben Impulzus-visszhang elv (Pulse-echo principle)
UH forrás
v= 1500 m/s, vízben
Reflexió az első határfelületről.
Mit látunk a képernyőn?
Terjedési idő idő: t= t 2d/v 2d/
Az UH készülék az impulzusecho idejét méri! Majd vízbeli terjedési sebességgel számol.
8
5/3/2012
(ultra) hang terjedése közegben
UH forrás
Víz Vas Levegő
Vlevegő = 330 m/s Vvíz = 1550 m/s Vvas = 5100 m/s f = 2000 Hz λlevegő = 16.55 cm λvíz = 77.5 cm λvas = 2.55 m
Levegőben gyengülő jel csillapodás abszorpció csillapodás, Reflexió a határfelületen. Csillapodás a 2. közegben.
I0 = Ireflektált+Ielnyelt v 1< v 2, ρ ~ v
??? Mi történik a második határfelületnél ???
Ultrahang tomográfia - alapok
CT image
Miért nem használunk UH‐ot teljes testmetszethez?
falciform ligament FL lienorenal ligament LR gastrolienal ligament GL lesser omentum LO
http://www.radiologyinfo.org/en/photocat/gallery3.cfm?image=00276077_appy_ap.jpg&pg=bodyct http://home.comcast.net/~wnor/abdominalcavity.htm
9
5/3/2012
Ultrahang 1. Hangsugárnyomás: a hullám terjedése útjában álló akadályra (pl. víz-levegő határfelület) ható, a hangintenzitással egyenesen arányos nyomás.
2. Abszorpció: a közeg általi energia-elnyelés, mely a közeg felmelegedéséhez vezet. Abszorpció nő a frekvenciával és a távolsággal (rétegvastagsággal).
A(x) A0 e
x
Tipikus készülékek: 8 MHz: felszíni erek
A= amplitúdó = abszorpciós együttható x= távolság (rétegvastagság)
4 MHz: mély erek 2 MHz: szülészeti UH
Ultrahang 3. Visszaverődés T = 1-R R (reflektált) z1=v1*ρ1
z2=v2*ρ2
z z R 1 2 z1 z2
2
z: akusztikus impedancia
4. Tengelyirányú (axiális) feloldóképesség Ahhoz, hogy a d axiális Ahhoz távolságot feloldjuk:
vtw 2d tw
d
Adott frekvencia esetében az axiális feloldás javul Q csökkenésével. Adott Q esetében az axiális feloldás javul a frekvencia növelésével.
10
5/3/2012
Feloldóképesség Feloldási határ: két pont közötti távolság, amelyeket UH segítségével még különálló pontoknak detektálunk Felbontóképesség: a feloldási p g határ reciproka p Sugárirányú (axiális) feloldási határ: mélységi elmosódottság Minél nagyobb f, annál rövidebb az UH impulzus, annál tisztább képet ad. A szöveti abszorpció f növekedésével nő. ő
A frekvencia megválasztása mindig egy kompromisszum keresés a felbontóképesség és a „leképezhető mélység” között.
Feloldóképesség Oldalirányú (laterális) feloldási határ: ≈ azonos az UH nyalábátmérővel
Az ultrahangnyaláb szélességét alapvetően az ultrahangpulzust kibocsátó kristály mérete és az ultrahangnyaláb fókuszáltsága befolyásolja.
A legjobb felbontóképességet abban a mélységben kapjuk, ahol az ultrahangnyaláb a leginkább fókuszált, illetve legkeskenyebb.
11
5/3/2012
Fókuszálás 1. Fix fókusz pl. akusztikus lencsék
Erősen fókuszált transzducereket alkalmaznak a szöveti roncsolásra, ahol lokálisan igen nagy ultrahang intenzitás – hőhatás jön létre.
Fókuszálás 2. Elektronikus fókuszálás Különböző mélységekbe állítható a a fókuszsík. DINAMIKUS FÓKUSZÁLÁS
Elektromos jelek
transzducerek
Transzducerek előtt késleltetők (zone focusing) A nyaláb divergenciája a fókuszsík mögött is mérsékelt, így nagy a mélységélesség. él é él é Detektáláskor: echojel előbb éri el a középső transzducert, majd a mögé épített késleltető tagok miatt azonos fázisban találkoznak.
12
5/3/2012
Pásztázás (mindig fókuszált nyalábbal)
1. Mechanikus: • egyetlen piezoel. kristály piezoel kristály • Szektor szkennelés Elavult!
2. Elektronikus: Transducer array linear array curved array • Egymás mellett sok (pl. 512) kerámialapka • 1D képvonalak • Eltolódás a következő elemre
Ultrahang - üzemmódok Ultrahang üzemmódok: A-mód (Amplitude): visszhang, mint feszültségimpulzus jelenik meg – távolságmérés tá l á é é B-mód (Brightness): a feszültségimpulzust az amplitúdóval arányos szürkeintenzitású pontként ábrázoljuk 2d B-mód: pásztázás
Reflexió mértéke: szövet/csont 35% levegő/bőr 100% gél/bőr 0,1% Gél használata fontos!
13
5/3/2012
Ultrahang - üzemmódok M-mód (time Motion): 1 metszeti vonal mentén történő periódikus mozgás időbeliségének ábrázolása (pl. echokardiográfia) X-tengelyen: idő Y-tengelyen: 1D B-módú kép (vonal)
BP
septum
BK
sys
dias sys
Mitralis stenosis
dias idő
Az UH egyéb felhasználási területei • Hatására a finom szemcséjű porok összeállnak, pl.: portalanítás gyárakban, ködmentesítés gyárakban, ködmentesítés reptereken • Anyagvizsgálat, pl.: fémekben repedések, üregek vizsgálata (vasúti kocsik kerekének és sínnek a vizsgálata) • Sonar: Tenger/folyó mélységének meghatározása, térképezés • Elpusztítja a mikroorganizmusokat, ezért fertőtlenítésre alkalmas
14
5/3/2012
Egyéb felhasználás
http://spinoff.nasa.gov/Spinoff2008/hm_8.html http://sonohouse.co.kr/products.htm http://www.diytrade.com/china/pd/9262342/Dental_Handpiece.html http://www.omni-inc.com/omni-sonic-ruptor-400-ultrasonic-homogenizer-p-45.html
UH terápiás alkalmazása vér zsír izom bőr csont
A csillapodás oka az UH abszorpciója. Az elnyelt rezgés energiának lehet - Hőhatása (részecske rezgés nő) - Nem termális hatása (kavitáció, sejtmembrán permeabilitás változás)
csillapítás dB/cm %/cm 0,12 1,3 0,61 3 1,2 24 2,7 39 13,9 96
Tipikus készülékek: 8 MHz: felszíni erek 4 MHz: mély erek 2 MHz: szülészeti UH
Kavitáció (üregképződés; cavum = üreg): molekulák közötti kohéziós erők leküzdésekor keletkező, rövid élettartamú üregek.
Mikromasszázs szövetek rezgésbe jönnek eltérő frekvenciával, belső surlódás, endogén hőképződés (Fizikoterápia)
15
