Az ultrahang reflexiója. Az ultrahang orvosi alkalmazásainak alapjai. Visszaverődés. Terápa alapja az ultrahang elnyelődése

Átírás

1 Az ultrahang orvosi alkalmazásainak alapjai Terápa alapja az ultrahang elnyelődése Diagnosztika alapja az ultrahang reflexiója Visszaverődés Az ultrahang reflexiója J R = R J 0 Z1 Z R = Z1 + Z Ha R 1 teljes visszaverődés anyag ρ κ c Z Az ultrahang reflexiója anyag c (m/s) ρ (kg/m 3 ) Z (kg/m 2 s pulpa , Az ultrahang reflexiója [kg/m 3 ] [1/GPa] [m/s] [kg/(m 2 s)] levegő 1, , tüdő 400 5, , zsír 925 0, , lágy szövet , , szemlencse , , csontvelő 970 0, , csont, porózus , ,2 2, csont, tömör , , Ha R 1 teljes visszaverődés határfelület R izom/vér 0,0009 zsír/máj 0,006 zsír/izom 0,01 csont/izom 0,41 csont/zsír 0,48 lágy szövet/levegő 0,99 dentin , zománc , Al boroszilikát , amalgám , határfelület R zománc/dentin 0,18 dentin/pulpa 0,43 amalgám/dentin 0,40

2 Az ultrahang reflexiója Az ultrahang reflexiója anyag ρ κ c Z határfelület R Ha R 1 teljes visszaverődés [kg/m 3 ] [1/GPa] [m/s] [kg/(m 2 s)] levegő 1, , tüdő 400 5, , zsír 925 0, , izom/vér 0,0009 zsír/máj 0,006 zsír/izom 0,01 csatoló közeg szükséges lágy szövet , , szemlencse , , csontvelő 970 0, , csont, porózus , ,2 2, csont, tömör , , csont/izom 0,41 csont/zsír 0,48 lágy szövet/levegő 0,99 Optimális csatolás: Z csat = Z 1 Z 2 Ha R 1 teljes visszaverődés Z csatológél ~ 6, kg/(m 2 s) csatoló közeg szükséges relatív impulzus amplitúdó (db) Abszorpció és reflexió minél később/ minél mélyebbről érkezik vissza a reflexió, annál gyengébb a reflektált intenzitás visszaverődési idő függő erősítés TGC: time gain compensation DGC: depth gain control Az ultrahangos képalkotás, A-, B- és M-képek. Doppler-echo határfelület R 10lgR (db) T 10lgT (db) zsír/izom izom/vér izom/csont

3 Echo elv Echo elv - képalkotás 1794 Spallanzani: denevérek tájékozódása 1822 Colladen megméri a hang terjedési sebességét 10 mérföld palackorrú delfin cδt = d+d = 2d speciális transzducerből levegőbe is kicsatolható az UH intenzitás egy része A-kép - Amplitúdó Y Z Eltérítés / szabályozás A-kép egy dimenziós B-kép két dimenziós B-kép Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság csak egydimenziós lehet Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl ) cδt = d+d = 2d

4 B-kép - Bightness=fényesség Y transzducer pulzus Z d ekhó Eltérítés / szabályozás A-kép egydimenziós B-kép kétdimenziós B-kép A-kép Δ t= 2d/c idő Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság egydimenziós B-kép Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl ) vö. Tkv. VIII.33. ábra B-kép - Bightness=fényesség kétdimenziós B-kép direkt tomográfia Z Y Eltérítés / szabályozás A-kép egydimenziós B-kép kétdimenziós B-kép Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl )

5 B-kép - Bightness=fényesség kétdimenziós B-kép TM-kép Time Motion mozgatott transzducer EKG jel referenciaként (függőleges) egydimenziós B-kép időbeli változása idő (T)M-kép Time Motion Tkv. VIII.34. ábra TM-kép B-kép Kétdimenziós B-kép és A-kép (szemészeti alkalmazás) 19 Terjedési sebesség figyelembevétele pontos távolságok meghatározására: cornea: 1641 m/s csarnokvíz: 1532 m/s humán szemlencse: 1641 m/s üvegtest: 1532 m/s

6 A valóság és amit az UH-kép mutat A valóság és amit az UH-kép mutat Az objektum A mérés A valóság és amit az UH-kép mutat A valóság és amit az UH-kép mutat Víz a kesztyűben A keresztmetszet Glicerin a kesztyűben A keresztmetszet Az eredmény Az eredmény

7 A valóság és amit az UH-kép mutat A valóság és amit az UH-kép mutat Alkohol a kesztyűben A keresztmetszet Levegő a kesztyűben A keresztmetszet Az eredmény Az eredmény Feloldási határ, feloldóképesség Feloldási határ, feloldóképesség A feloldási határt ama két pont közötti távolsággal jellemezhetjük, amelyeket az UH segítségével még különálló pontokként detektálhatunk (minél nagyobb az értéke, annál rosszabb a helyzet). A sugárirányú (axiális, vagy mélységi ) feloldási határ az impulzushossztól függ. Impulzushossz (SPL*) felodott Felbontóképesség: a feloldási határ reciproka. Az echo ne fedjen át a kibocsátott impulzussal minimális szeparáció > ½ spl. Az impulzushossz fordítottan arányos a frekvenciával *spatial pulse legth nem felodott

8 Feloldási határ, feloldóképesség A laterális feloldási határ két szomszédos pont megkülönböztetése a sugárirányra merőéleges irányban. A nyalábátmérő, nyalábdenzitás és az objektum mélységi poziciója szabja meg. Jellemző értékek frekvencia (MHz): 2 15 hullámhossz (izomban) (mm): behatolási mélység (cm): laterális feloldási határ (mm): axiális feloldási határ (mm): Doppler-effektus A forrás mozog A forrás és észlelés közeledése vagy távolodása esetében a frekvencia megváltozik. v f ' = f 1 ± c f : eredeti ferkvencia f : megváltozott ferkvencia v: a forrás sebessége c: az ultrahang sebessége Az ultrahang reflexiója mozgó felszínről Áramlási sebesség mérése Vörösvértestek, mint szórócentumok. f 2v = f 1 ± c ' 0 Doppler-eltolódás f D = f ' f 0 A frekvencia megváltozása arányos a reflektáló felület sebességével. Közeli frekvenciák szuperpozíciója (összegzése) esetén megjelenik hallható a különbségi frekvencia is. Tkv. VIII.41. ábra

9 Doppler frekvencia = frekvencia változás = fr. eltolódás CW Doppler berendezés v = ± M f ' f 1 c álló forrás és mozgó megfigyelő 2v f ' = f0 1 ± c R mozgó reflektáló tárgy (felület), (ha vr<<c ) Δf = f Δf = f D = ± vi f c ha v R <<c (i=m vagy F) v c D = ±2 R ha v és c nem párhuzamosak, akkor v helyett v cosθ írandó képletbe f CW: (Continuous Wave) folyamatos hullámú adó és vevő különválasztva (egymás mellett) f D v 2 R cosθ = f c f D =1 khz (lebegés jelensége) pl. f=8000 khz v=12 cm/s c=1600 m/s Θ = 37º Tkv. VIII.41. ábra Színkódolás transzducer felé: meleg színek, transzducertől elfelé: hideg színek Intenzitás biológiai hatás diagnosztika: 10 mw/cm 2 = =100 W/m 2 vö. fájdalomküszöb: 10 W/m 2 terápia: 1 W/cm 2 Intenzitás (W/cm 2 ) károsodás nélküli tartomány feltételezetten káros hatású tartomány BART: Blue Away Red Towards power Doppler 35 besugárzási idő (s)

10 UH (mellék)hatásai Hőhatás - Helyi termikus hatás arányos az UH intenzitásával Terápiás alkalmazások - mikromasszázs - surlódás - dt 2αI = dt ρc - termikus hatás - súrlódás és abszorpció - A sűrűbb izomszövet általában kevésbé melegszik, mint a zsír izomlazítás fájdalomcsillapítás értágítás Kavitációs hatás Fogkő eltávolítás HIFU high intensity focused ultrasound (J < 300 mw/cm 2 ) Gázbuborékok összenyomódása és kitágulása (J néhány W/cm 2 ) Üregek keletkeznek és omlanak össze. frekvencia tartomány: khz A fogkő kavitáció hatására leválik a fogfelszínről. Több forrásból származó UH nyaláb fókuszában nagy intenzitás (Lokálisan: T ~ 8000 K p ~ 109 Pa) A hőhatást is figyelembe kell venni. Sejtek roncsolása daganatok eltávolítása

11 A hét kérdése Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika Mit jelent a Doppler-eltolódás? II VIII. 4.2.