Az ultrahang, mint fizikai jelenség; előállítása, tulajdonságai, diagnosztikai alkalmazásának fizikai alapjai. Hang: mechanikai hullám

Átírás

1 Az ultrahang, mint fizikai jelenség; előállítása, tulajdonságai, diagnosztikai alkalmazásának fizikai alapjai 04 Február Prof. Fidy Judit Dr. Leopold Augenbrugger (grazi kosmáros orvos fia) 76: perkusszió orvosi alkalmazása kosmai kérdés: mennyi bor van a hordóban? Hang: mehanikai hullám A hangok hullámfüggvényei többnyire összetettek Mehanikai: kinetikai energia terjed benne : a közeg részeskéi egyensúlyi helyzetük körül vibráiós mozgást végeznek a mozgásállapot terjed Hullám: található olyan fizikai jellemző, amely a jelenség során időben és térben periodikusan változik hullámfüggvénnyel írható le Adott frekveniájú tiszta hang Mehanikai hullám terjedéséhez közegre van szükség Mire írjuk fel a hullámfüggvényt? Sűrűség Elmozdulás az egyensúly körül Nyomás enei hangok több komponens A nyomásváltozásra felírt hullám függvény Nagy amplitudó, széles tartományban előforduló frekveniák, fázisok 3 4

2 longitudinális hullám (folyadékokban, lágy szövetben, gázokban sak ilyen) transzverzális hullám (szilárd testekben pl. sontban mind longitudinális, mind transzverzális) Ultrahang: 0 khz feletti frekveniájú hanghullámok Hallás fájdalom küszöbe feletti intenzitások pl. W/m 0 4 W/m hidrosztatikai nyomás p teljes p hidrosztat + Δp nyomásváltozás hang nyomás amplitúdó Δp( t, x) Δpmax sin π t T fázis T λ, f λ x + φ λ Nem fénysebesség! 6 Hogyan keltsünk ultrahangot? Az ultrahang diagnosztika az orvosi diagnosztikának egyik vezető és állandóan továbbfejlesztett módszere. Terápiai szempontból is jelentős. Piezoelektromos jelenség (a) Alapállapot: a pozitív és negatív töltések súlypontja egybe esik. (b) és () : Nyomás hatására a töltések súlypontja szétválik, feszültség keletkezik (direkt hatás) ill. feszültség hatására a kristály deformálódik. UH keltés: inverz effektus UH detektálás: direkt effektus ugyanazon kristály forrás és detektor SiO kristály Elektro/magneto strikió: kerámiák gázgyújtó 7 Elektromos /mágneses dipólus egységekből álló szilárd fázisú anyagok Dipólusok periódikusan változó elektromos/mágneses térben átrendeződnek méretváltozás (inverz effektus is) Anyaguk mehanikailag ellenállóbb Alasonyabb frekveniák: 0 40 khz fogkőeltávolítás 8

3 Az UH forrás felépítése Mi a szerepe az UH jel intenzitásának? földelt kábel műanyag ház aktív kábel akusztikus szigetelő tompító egység aktív elektróda piezoelektromos kristály, λ/ földelt elektróda illesztő réteg intenzitás energia áram sűrűség v. teljesítménysűrűség J (elektromos analógia teljesítmény J akuszt P el U akusztikai fogalmakkal teljesítmény-sűrűség Δp el eff eff akuszt Δp ΔE Δt ΔA max W m AC körben) vétel effektív érték: Δp eff Δp max adás periodikus feszültség (AC) periodikus méretváltozás azonos frekveniával 9 Nagy intenzitás nagy nyomásfluktuáiót jelent ( től függ) 0 Az UH intenzitást orvosi alkalmazásokban limitálni szükséges Az UH intenzitást limitálni szükséges λ λ p max és p min távolsága Δp max Diagnosztika: f () 0 MHz λ/ μm izomban ~sejtek mérete!! x Terápia: f 0.5 MHz Pl. izom 600m/s λ/f λ 3..6 mm λ/ mm Javasolt felső határ J átlag W/m ( izom ) A képalkotáshoz szükséges jelek nagyobb intenzitást kívánnak meg: 0 W/m??? Δp max ~ 3. x atm. Dilatáió és kompresszió mértéke ~ mm en belül! Veszélyek: kavitáió, kémiai reakiók indukiója Terápiás hatás: kisebb intenzitásoknál belső súrlódás dominál hőterápia

4 Az UH intenzitást limitálni szükséges Hogyan terjed az UH szövetekben? Diagnosztika: f () 0 MHz λ/ μm izomban ~sejtek mérete!! A gyakorlatban szükséges J magasabb: 0 W/m Megoldás: rövid UH impulzusok átlagos J lesökken μs ms J átlag 0mW/m J akuszt ΔV / V κ Δp ρκ Δp max ρ ρ κ akusztikus impedania /ellenállás/keménység kompresszibilitás relatív térfogat sökkenés per nyomás növekedés terjedési sebesség, ρ-sűrűség 3 4 Az UH sebessége testszövetekben anyag ρ sűrűség κ kompresszibilitás terjedési sebesség akusztikus impedania α/(f x) fajlagos sillapítás [kg/m 3 ] [/GPa] [m/s] [kg/(m s)] [db/(m MHz)] A sebesség nem függ a frekveniától hangsebesség 340 m/s átlagos lágy szövet: 540 m/s (!) ρκ 5 levegő, , , tüdő 400 5, ,6 0 6 zsír 95 0,5 470, ,63 víz, 0 C , ,00 víz, 36 C , agy , ,85 lágy szövet , ,3,7 máj 060 0, , ,94 vese 040 0,40 560,6 0 6,0 lép , izom ,63 0 6,3 3,3 vér 060 0,38 570,6, ,8 szemlense 60,84 0 6,0 sontvelő , sont, porózus 380 0, ,,9 0 6 sont, tömör 700 0, , 0 6 0,0 aluminium 700 0, ,8 0 6 satoló gél 6,5 0 6 ólom-irkonáttitanát kvar , 0 6 6

5 Szövetekben az UH intenzitása gyengül: abszorpió Érvényes az exponeniális sugárgyengülési törvény I J I 0 J 0 J 0 I/ 0 J 0 I/e J J 0 e D /μ μ J 0 lg x lg e J I I 0 e μ x - μ x A közeget a μ helyett az α sillapítási tényezővel jellemzik x α J 0 lg α 0 μ x lg e α konst. μ x 0 J db [ db] 4.34 μ x[ db] (4.34 μ) [ db / m] 7 μ a diagnosztikai tartományban nő a frekveniával Milyen függvény szerint? μ konst f log μ log( konst) + k log f k fajlagos sillapítás: sak a közegre jellemző k lineáris kapsolat, arányosság Jó közelítés! α α fajl f x pl. lágy szövetre: α db fajl. m MHz μ α/x (db/m) diagnosztika f (MHz) k 3 k k Az UH diagnosztika alapja a UH visszaverődése különböző közegek határán Az UH diagnosztika alapja a UH visszaverődése különböző közegek határán A diagnosztikai mérés konepiója kiválasztott irányok mentén UH impulzusokat juttatunk a szervezetbe mérjük a bejuttatás és a reflexió között eltelt időt a terjedési sebesség ismeretében a reflektált impulzus visszaérkezési ideje alapján a reflektáló felület távolsága a kibosátás helyétől meghatározható merőleges beesés J J tr be J refl J be ferde beesés > J refl beesési merőleges J tr A reflexiós irányok megfelelő megválasztásával metszeti síkokban a szervek (és eltérő szöveti tartományok) körvonalai kirajzolódnak J be J tr +J refl sinα sinβ Tomográfiai adatgyűjtés anatómiai informáió reflexió és transzmisszió irányváltás: Snellius-Desartes törvény 0 Tkv. II.47. ábra

6 Milyen szöveti tulajdonság okoz határfelületi reflexiót? reflexióképesség J R visszavert Jbejövő + az akusztikus impedaniák különbségétől függ teljes visszaverődés: <<, R kerülendő! UH forrás levegő testszövet Sok esetben a víz is lehet jó satoló közeg határfelület R izom/vér 0,0009 zsír/máj 0,006 zsír/izom 0,0 sont/izom 0,4 sont/zsír 0,48 lágy szövet/levegő 0,99 satoló közeg szükséges! satoló forrás bõr Ferde beesés ill. külső felülethez képest ferde helyzetű réteg 3 anyag ρ sűrűség κ kompresszibilitás terjedési sebesség akusztikus impedania α/(f x) fajlagos sillapítás [kg/m 3 ] [/GPa] [m/s] [kg/(m s)] [db/(m MHz)] levegő, , , tüdő 400 5, ,6 0 6 zsír 95 0,5 470, ,63 víz, 0 C , ,00 víz, 36 C , agy , ,85 lágy szövet , ,3,7 máj 060 0, , ,94 vese 040 0,40 560,6 0 6,0 lép , izom ,63 0 6,3 3,3 vér 060 0,38 570,6, ,8 szemlense 60,84 0 6,0 sontvelő , sont, porózus 380 0, ,,9 0 6 sont, tömör 700 0, , 0 6 0,0 aluminium 700 0, ,8 0 6 satoló gél 6,5 0 6 ólom-irkonáttitanát kvar , 0 6 4

7 Milyen UH impulzust alkalmaznak? transzduer: adó és vevő egyben időbeli szétválasztás folyamatos hullám helyett impulzusok Az UH nyaláb valódi jellemzői méréstehnikai problémákat vetnek fel tájékoztató informáiók Egyszerűsített ábra Milyen távolra jut a rövid impulzus az ms ismétlődési idő alatt? l.5 m! Van ideje oda vissza átjárni az emberi testet! Bőr impulzus ismétlődési idő UH terjedési sebessége impulzus ismétlődési frekvenia közeltér távoltér impulzus időtartama UH frekveniája (Fresnel zóna) (Fraunhofer zóna) 5 6 Az UH nyaláb perspektivikus képe részletesebben Az UH os képalkotás feloldási határa A feloldási határ : ama két pont közötti távolság, amelyeket az UH reflexióban még különálló pontokként detektálhatunk Felbontóképesség: a feloldási határ reiproka. J x A sugárirányú (axiális) feloldási határ az impulzushossztól függ, azzal arányos. Az impulzushossz fordítottan arányos a frekveniával. A laterális feloldási határt a nyalábátmérő szabja meg. Az axiálisnál kb. 0x nagyobb axiális irányban az intenzitás változás 7 8

8 Az ultrahangos diagnosztika módszerei Jellemző értékek frekvenia (MHz): 5 hullámhossz (izomban) (mm): behatolási mélység (m):.6 laterális feloldási határ (mm): axiális feloldási határ (mm): A (amplitude) képek A visszavert UH impulzus amplitudójával arányos DC feszültségimpulzus monitor idővel arányos feszültség-jel 9 30 Jelátalakítás a megjelenítés előtt UH transduer által detektált visszavert UH pulzus A monitort Y-irányban vezérlő feszültség-impulzus A képek transzformálása B (brightness) képbe transzduer pulzus d ekhó egyenirányítás szűrés erősítés A-kép (Amplitúdó) sak egydimenziós lehet Δ t d/ idő egydimenziós B-kép (Brightnessfényesség) 3 vö. Tkv. VIII.33. ábra 3

9 Kétdimenziós B kép Az UH forrás felépítése mozgatott transzduer B-mód kijelző aktív kábel akusztikus szigetelő tompító egység Detektor-sorok (array) A fényes pontok a mérési irányoknak megfelelően kerülnek a kijelzőre D ábrázolás földelt kábel műanyag ház aktív elektróda piezoelektromos kristály, λ/ földelt elektróda illesztő réteg Parallel pásztázás a pásztázás iránya.. 3. lapkaméret a képvonalak távolsága... a vonalak Legyező alakú pásztázás.. 3. a vonalak lapkasoport a pásztázás iránya 33 vétel periodikus feszültség (AC) periodikus méretváltozás azonos frekveniával adás 34 Kétdimenziós B kép és A kép (szemészeti alkalmazás) Terjedési sebesség figyelembevétele pontos távolságok meghatározására: TM kép (Time Motion) ornea: 64 m/s sarnokvíz: 53 m/s humán szemlense: 64 m/s üvegtest: 53 m/s EKG jel refereniaként (függőleges) egydimenziós B-kép időbeli változása idő (T)M-kép Time Motion 35 Tkv. VIII.34. ábra 36

10 TM-kép B-kép Doppler jelenség Ha a sípoló vonat közeledik, akkor az álló megfigyelő az igazinál magasabb hangot észlel, ha pedig távolodik, akkor mélyebbet. (C. Doppler, 84) M M mélyebb megfigyelt frekvenia Tλ, f/λ magasabb megfigyelt frekvenia f : megfigyelt frekvenia, f : eredeti frekvenia (a) álló forrás és mozgó megfigyelő +: megfigyelő közeledik a forráshoz : megfigyelő távolodik a forrástól (b) mozgó forrás és álló megfigyelő (ha v F <<, akkor ugyanaz, mint (a)) () mozgó forrás és mozgó megfigyelő (d) mozgó reflektáló tárgy (felület), (ha v R << ) v f ' f ± R v f ' f ± f f ' vf m v ± f ' f v m M F M 39 Doppler frekvenia frekvenia változás fr. eltolódás f f ' Δf f D ± vr ha v és nem párhuzamosak, akkor v helyett v osθ írandó képletbe A frekveniaváltozás előjele a véráramlás irányától függ f 40

11 Vörösvértestek, mint szóróentumok. CW Doppler berendezés áramlási átlagsebesség mérésére CW: folyamatos hullámú adó és vevő különválasztva f D v R osθ f pl. f8000 khz v m/s 600 m/s Θ 37º f D khz kis változás! (lebegés jelensége) különbségi jel khz v R mérése v m/s Θ 37 színuszoszillátor 8000 khz 800 khz 4 fpiros f zöld emlékeztető: Lebegés: két kisit eltérő frekveniájú hullám interfereniájakor a lebegés frekveniája megegyezik az interferáló jelek frekveniájának különbségével α + β α β sinα + sin β sin os 4 Doppler görbék minden időpillanatban egy sebességgel jellemezhető áramlás minden időpillanatban egy sebességeloszlással jellemezhető áramlás vö. zene/szívhangok idő-fr. reprezentáióban sebességeloszlástm-képe Tkv. VIII.4. ábra

12 Δf előjele a véráramlás irányára jellemző Színkódolás 3D rekonstrukió transzduer felé: meleg színek, transzduertől elfelé: hideg színek magzat ara húgyhólyag BART: Blue Away Red Towards 45 nyaki verőér 46 UH terápia Lökéshullám terápia (nem UH!) ESWL (extraorporeal shokwave lithotripsy tkv. 6.4.(3) példája: mehanikai és/vagy hőhatás MHz, W/m - kis intenzitás: mikromasszázs izomban 00 kpa a Δp(!) -00 és +300 kpa között változik a p - nagy intenzitás: ronsoló hatás sejtállományt fenntartó kötőerők legyőzése (szabad gyökök, H O, DNS lántörések), kavitáió -hipertermiás kezelés abszorpió hővé alakul az energia kövek non invazív törése (vese, epe,...) kb. 0 kv-os kondenzátor víz alatti elektródapáron kisütve -fogászat: fogkőeltávolítás (0-40 khz) rezgő fémsús közvetlenül adja át a rezgési energiát a fogkőnek nyomásimpulzus, fókuszálás a kő helyére elliptikus tükörrel -tisztítás: diszpergáló hatás alapján röntgen és/vagy UH képalkotóval követik a kezelés előrehaladtát 47 48

13 49 50 Pásztázás Pásztázás és fókuszálás sokelemes linear array a pásztázás iránya lapkaméret UH frekveniás feszültségimpulzus-adó késleltető elemek τ τ τ 3 τ 4 τ 5 τ 6 τ 7 τ 8 τ 9 a sugárzó lapkák ϕ a nyaláb iránya Vége Köszönöm a figyelmet! τ n n. eredő hullámfront a képvonalak távolsága a vonalak sokelemes urved array lapkasoport a pásztázás iránya UH frekveniás feszültségimpulzus-adó τ τ τ 3 τ 4 τ 5 τ 6 τ 7 τ 8 τ 9 τ n n. sugárirány. hullámfront fókusz.. 3. a vonalak 5 5