A hang z
Ultrahang
z z
¾fizikai
tulajdonságai ¾előállítása ¾diagnosztika ¾terápia
z
z
z
A hanghullámot leíró függvény ⎡ ⎛ t x ⎞⎤ Δp(t , x ) = Δpmax sin ⎢2π ⎜ − ⎟⎥ ⎣ ⎝ T λ ⎠⎦ z
Δpmax maximális nyomásváltozás
z
T
z
λ
c = f ⋅λ
periódusidő (= 1/f) hullámhossz Terjedési sebesség: levegőben 330 m/s vízben kb. 1500 m/s
A hang: mechanikai hullám Közegre van szükség a terjedéséhez Szilárd testben: longitudinális vagy transzverzális hullám Folyadékok, gázok: longitudinális hullám (nyírófeszültség hiánya miatt) Folyadék felületén transzverzális hullámok is kialakulhatnak (a felületi feszültség miatt)
A lágy szövetek folyadéknak tekinthetők!
Az ultrahang z
Emberi hallás frekvenciatartománya: 20 Hz – 20000 Hz. z z
z z z
f < 20 Hz Æ infrahang, f > 20 000 Hz Æ ultrahang.
Emberi fül számára nem hallható, de: kutya, denevér, delfin. Orvosi gyakorlatban 2-10 MHz UH használatos. A hanghullám terjedési sebessége nem függ a frekvenciától, csakis a közeg anyagi tulajdonságaitól!
1
Az ultrahang terjedési sebessége
c=
1
ρκ
ρ zκ z
közeg sűrűsége kompresszibilitás
κ= cszilárd > cfolyadék > cgáz
Az akusztikus impedancia z „Akusztikai
keménység”: megmutatja, mennyire áll ellen a közeg annak, hogy a részecskéket mozgásba hozzuk, mennyire „kemény” az anyag akusztikus szempontból.
− ΔV / V Δp
Z=
Lágy szövetekben c = 1540 m/s.
Intenzitás, kavitáció z
z
Intenzitás: a sugárzás irányára merőlegesen elhelyezett egységnyi felületen időegység alatt áthaladó energia Æ m.egys.: W/m2 a hullámmozgás amplitúdójának négyzetével egyenesen arányos.
I ~ (Δpmax )
2
z z
nyomásingadozás Æ szövetkárosodás Az UH frekvenciából adódóan a hullámhossz tartománya a sejtek méretével egybeesik Æ kavitáció
p v
Z = cρ
Z=
ρ κ
Energiaveszteség terjedés közben z
z z
Az UH-ban terjedő energia súrlódás, hőfejlődés miatt a terjedés közben veszteséget szenved, a sugárzás intenzitása csökken. Æ abszorpció μ~ f Abszorpciós törvény: I = I 0 e − μx Csillapítás (α, m.e.: dB): α = 10 ⋅ lg I 0 I α = 10 ⋅ μ ⋅ x ⋅ lg e z
z
fajlagos csillapítás α / ( f ⋅ x ) anyagra jell. állandó
Szóródás a közeg részecskéin μ = μ absz + μ szórás
2
Közegek határán… Reflexió
anyag
ρ (kg/m3)
κ (1/GPa)
c (m/s)
Z (kg/(m2×s))
fajlagos csillapítás (dB/(cm×MHz)
levegő
1,3
7650
331
0,00046×106
1,2
z
víz
994
0,42
1530
1,53×106
-
z
csont
1700
0,05
3600
6,12×106
20
z
aluminium
2700
0,009
6400
17,28×106
-
csatológél
-
-
6,5×106
-
z
z
Egyes kristályokban deformálódás hatására elektromos feszültség keletkezik (pl. kvarc).
z
z
Inverz piezoelektromos hatás: elektromos térbe helyezett kvarckristály az egyik irányba megnyúlik, másikba összenyomódik. Váltóáramra kapcsolva periodikus alakváltozást szenved. z A kristály tehát kettős transzducer.
Ferde beesés, vagy ferde helyzetű rétegek esetében képtorzítás jön létre.
izom/vér
0,0009
csont/izom
0,41
lágy szövet/levegő
0,99
Magnetostrikció z
z
Az UH felvételen azok a részletek jelennek meg, amelyek határfelületén az UH visszaverődik. 2 J ⎛ Z − Z2 ⎞ Reflexióképesség: ⎟⎟ R = ⎜⎜ 1 R= R Z + Z J0 ⎝ 1 2 ⎠ Teljes visszaverődés: pl. levegő-szövet határon Æ csatolóközeg szükséges! Jeldinamika: ~100 dB a várható legnagyobb és még hasznosítható legkisebb jel viszonya. Határfelület R
Törés
-
Piezoelektromosság z
z
Mágneses mezőbe helyezett vasdarab a mező változásának hatására alakját változtatja, összehúzódik vagy kitágul. Gyakorlatban általában kötegelt Ni-lemezeket használnak, aminek a belsejében lévő tekercsekre váltóáramot vezetnek. A lemezek mozgása hozza létre az ultrahangot.
http://openlearn.open.ac.uk/file.php/3326/T356_1_020i.jpg
3
Az ultrahang-nyaláb z z z
Impulzus-visszhang elv (Pulse-echo principle)
közeltér: nyomás-inhomogenitások. fókusz-zóna az UH nyaláb fókuszálása z z z
fixfókusz-megoldás: akusztikus lencse elektronikus fókuszálás dinamikus fókuszálás Fresnel zóna
transzducer
Impulzus = rezgés csomag Q = a periódusok száma az impulzusban
2r
nagy Q
kis Q UH-frekvenciájú feszültségimpulzus
szünet: ms imp. hossza: μs f: 1-10 MHz (1 MHz=106 Hz)
Fraunhoffer zóna
UH impulzus
reflektáló felület
Távolságmérés: impulzus
z z
ct d= 2
r2/λ
UH „nyaláb” frekvenciasáv
A megjelenítés alapelve Katódsugárcső x eltérítő lemezpárra fűrészfeszültséget kapcsolunk Æ idő z y eltérítő lemezpárra kapcsoljuk a jelet z
2D: x fűrészfeszültség z y lépcsős fűrészfeszültség z pásztázó pont fényessége adja a 2D képet z
d
Egydimenziós A-mód, távolságmérés z z z
z
z
echo
A : Amplitúdó Egyetlen transzducer, egy vonalban terjedő UH nyaláb. A visszhangot mint feszültségimpulzust jelenítjük meg oszcilloszkópon. A jelek visszaérkezési ideje az objektum távolságától, a jel amplitúdója pedig az objektum akusztikus impedanciájától függ.
d=
ct 2
4
Egydimenziós B-mód z z
z z
z z
B : Brightness = fényesség A feszültségimpulzust az amplitúdóval arányos szürkeintenzitású pontként ábrázoljuk. Átvezetés az összetettebb képekhez. Az x, vagy az y irányú eltérítő elektródára nem kapcsolunk feszültséget. Távolságmérésre alkalmas. Az egydimenziós B-képet önmagában nem alkalmazzák.
2D B-mód, UH-tomográfia z z
Egydimenziós B képek sorozata. Sík letapogatása (pásztázás, scanning). z
z
Mechanikus pásztázás (egyetlen, vonalban gyorsan mozgatott piezo kristály). – szektorszken Elektronikus pásztázás (több száz, vonalba rendezett piezo kristály). z z
linear array – téglalap alakú kép curved array – legyező alakú kép
TM mód (M mód) z z
z z
TM : Time Motion Periodikus mozgás időbeliségének ábrázolása X-tengelyen: idő Y-tengelyen: 1dimenziós B-módú kép (vonal)
UH képek feloldóképessége z
z
Az a két pont közötti távolság, amelyet UH segítségével még különálló pontokként detektálhatunk. axiális (sugárirányú) feloldási határ: z z
z
impulzushossz fele (egymást éppen érintik az egymás mögül induló echók) 3 MHz esetében 0,75 mm.
laterális feloldási határ: z z z z
axiálisnál mindig nagyobb nyalábátmérővel azonos fókuszrégióban a legjobb kb. 5 mm (15 mm átmérőjű lapka esetében)
5
3D rekonstrukció z z
4D ultrahang – időfüggő 3D
Legyezőszerűen elforduló scanner. Képrekonstrukció intenzív digitális képanalízist igényel.
Doppler-módszerek z
Az UH hatásai a szövetekre
Doppler effektus: Mozgó felületről reflektált UH frekvenciája különbözik az eredeti frekvenciától.
⎛ v⎞ f = f0 ⎜1± ⎟ ⎝ c⎠
z
mechanikus – mikromasszázs, kőzúzás termikus – a szöveteket és határrétegeket felmelegíti kémiai – oxidáció, depolimerizáció, alkalózist kiváltó hatás biológiai – komplex baktericid, fungicid, virucid hatás
z
Alkalmazás:
z z
f = reflektált UH frekvenciája f0 = eredeti frekvencia v = UH terjedési sebessége a közegben c = reflektáló felület sebességének az UH terjedés irányába eső komponense
z
Doppler eltolódás: f - f0
z z
Folytonos UH sugárzás! (transzducerben 1 adó + 1 vevő kristály) Alkalmazások: z z
1. Magzati szívhang tartományban. 2. Doppler kardiográfia:
c=
v( f − f0 ) 2 f cosθ
vizsgálata.
Doppler
eltolódás
a
z
hallható
z c = vér áramlási sebessége v = UH terjedési sebessége a közegben f-f0 = Doppler eltolódás θ = az UH nyaláb és a véráram tengelye által bezárt szög
z
testfelszínen víz alatt (kisméretű, egyenetlen felület, ill. kontraktúrák oldása),
Különböző hatóanyagokat is bejuttathatunk a kezelni kívánt területbe (sonoforézis).
6
Alkalmazási területek z
urológia (kőzúzás)
z
sebészet (HIFU - akusztikus kés)
z
fizioterápia
z
onkológia
z
kozmetika (anticellulit kezelés)
z
fogászat (fogkő-eltávolítás)
7
