Az élő anyag rugalmas tulajdonságainak felhasználása diagnosztikában és terápiában: ultrahang - módszerek. Hang: mechanikai hullám

Átírás

1 Mai kérdés: Az élő anyag rugalmas tulajdonságainak felhasználása diagnosztikában és terápiában: ultrahang - módszerek Mennyi az 50 kv feszültséggel gyorsított elektron energiája ev egységben? 06 Márius 6 Prof. Fidy udit Hang: mehanikai hullám 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 Mehanikai hullám terjedéséhez közegre van szükség Dr. Leopold Augenbrugger (grazi kosmáros orvos fia) 76: perkusszió orvosi alkalmazása kosmai kérdés: mennyi bor van a hordóban? A nyomásváltozásra felírt hullám függvény Mire írjuk fel a hullámfüggvényt? Sűrűség Elmozdulás az egyensúly körül Nyomás 3 4

2 A hangok hullámfüggvényei többnyire összetettek longitudinális hullám (folyadékokban, lágy szövetben, gázokban sak ilyen) Adott frekveniájú tiszta hang enei hangok több komponens hidrosztatikai nyomás p teljes = p hidrosztat + Δp nyomásváltozás hang nyomás transzverzális hullám (szilárd testekben pl. sontban mind longitudinális, mind transzverzális) Nagy amplitudó, széles tartományban előforduló frekveniák, fázisok 5 amplitúdó Δp( t, x) = Δpmax sin π t T fázis T = λ, = f λ x + φ λ Nem fénysebesség! Ultrahang: 0 khz feletti frekveniájú hanghullámok Hallás fájdalom küszöbe feletti intenzitások pl. W/m =0 4 W/m Az ultrahang diagnosztika az orvosi diagnosztikának egyik vezető és állandóan továbbfejlesztett módszere. Terápiai szempontból is jelentős. 7 8

3 Hogyan keltsünk ultrahangot? 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. SiO kristály Az UH forrás felépítése aktív kábel akusztikus szigetelő tompító egység UH keltés: inverz effektus UH detektálás: direkt effektus ugyanazon kristály forrás és detektor Elektro/magneto strikió: kerámiák gázgyújtó aktív elektróda piezoelektromos kristály, λ/ földelt elektróda illesztő réteg adás Elektromos /mágneses dipólus egységekből álló szilárd fázisú anyagok Dipólusok periódikusan változó elektromos/mágneses térben átrendeződnek méretváltozás periodikus feszültség (AC) (inverz effektus is) periodikus méretváltozás Anyaguk mehanikailag ellenállóbb azonos frekveniával Alasonyabb frekveniák: 0 40 khz fogkőeltávolítás 9 0 földelt kábel műanyag ház vétel Mi a szerepe az UH jel intenzitásának? intenzitás = energia áram sűrűség v. teljesítménysűrűség (elektromos analógia teljesítmény P el = U el eff ΔE Δt ΔA W m = AC körben) Az UH intenzitást orvosi alkalmazásokban limitálni szükséges λ λ = p max és p min távolsága Δp max x akusztikai fogalmakkal teljesítmény-sűrűség = akuszt Δp eff = akuszt Δp effektív érték: Δp eff = Δp max max Nagy intenzitás nagy nyomásfluktuáiót jelent ( től függ) Terápia: f= 0.5 MHz Pl. izom =600m/s λ=/f λ= 3..6 mm λ/= mm avasolt felső határ átlag = W/m (= izom ) 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 Az UH intenzitást limitálni szükséges Diagnosztika: f= () 0 MHz λ/= μm izomban ~sejtek mérete!! Diagnosztika: f= () 0 MHz λ/= μm izomban ~sejtek mérete!! A képalkotáshoz szükséges jelek nagyobb intenzitást kívánnak meg: 0 W/m A gyakorlatban szükséges magasabb: 0 W/m Megoldás: rövid UH impulzusok átlagos lesökken??? ms átlag = 0mW/m μs 3 4 Hogyan terjed az UH szövetekben? Az UH sebessége testszövetekben = akuszt Δp max = ρ = ρ κ A sebesség nem függ a frekveniától = hangsebesség 340 m/s akusztikus impedania /ellenállás/keménység κ = ΔV / V Δp kompresszibilitás relatív térfogat sökkenés per nyomás növekedés = ρκ terjedési sebesség, ρ-sűrűség = ρκ 5 átlagos lágy szövet: 540 m/s (!) 6

5 anyag Szövetekben az UH intenzitása gyengül: abszorpió Érvényes az exponeniális sugárgyengülési törvény 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, =, 0, μ x tüdő 400 5, ,6 0 I = e A közeget a μ helyett az 6 0 zsír 95 0,5 470, ,63 α sillapítási tényezővel jellemzik víz, 0 C , ,00 víz, 36 C , I μ = lg x lg e agy , , α = 0 lg db lágy szövet , ,3,7 máj 060 0, , ,94 - μ x vese 040 0,40 560,6 0 6,0 I= I 0 e lép , izom ,63 0 6,3 3,3 0 I/ 0 α = 0 μ x lg e db = 4.34 μ x vér 060 0,38 570,6, ,8 I/e szemlense 60,84 0 6,0 0 α sontvelő = konst. μ = (4.34 μ) db / m, x 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 D /μ x ólom-irkonáttitanát kvar , [ ] [ db] [ ] 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 ó 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 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 A reflexiós irányok megfelelő megválasztásával metszeti síkokban a szervek (és eltérő szöveti tartományok) körvonalai kirajzolódnak Tomográfiai adatgyűjtés anatómiai informáió

6 Az UH diagnosztika alapja a UH visszaverődése különböző közegek határán merőleges beesés be tr be ferde beesés > beesési merőleges Milyen szöveti tulajdonság okoz határfelületi reflexiót? reflexióképesség R = visszavert bejövő = + az akusztikus impedaniák különbségétől függ teljes visszaverődés: <<, R kerülendő! UH forrás levegő testszövet refl be = tr + refl reflexió és transzmisszió refl sinα = sinβ tr irányváltás: Snellius-Desartes törvény 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 Tkv. II.47. ábra Sok esetben a víz is lehet jó satoló közeg Ferde beesés ill. külső felülethez képest ferde helyzetű réteg 3 4

7 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, = 0, , 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 Milyen UH impulzust alkalmaznak? transzduer: adó és vevő egyben időbeli szétválasztás folyamatos hullám helyett impulzusok 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 impulzus ismétlődési frekvenia impulzus időtartama UH terjedési sebessége UH frekveniája kvar , Az UH nyaláb valódi jellemzői méréstehnikai problémákat vetnek fel tájékoztató informáiók Az UH nyaláb perspektivikus képe részletesebben Egyszerűsített ábra közeltér (Fresnel zóna) távoltér (Fraunhofer zóna) 7 axiális irányban az intenzitás változás x 8

8 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. 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 ellemző értékek frekvenia (MHz): 5 hullámhossz (izomban) (mm): behatolási mélység (m):.6 laterális feloldási határ (mm): axiális feloldási határ (mm): Az ultrahangos diagnosztika módszerei A (amplitude) képek elátalakítás a megjelenítés előtt UH transduer által detektált visszavert UH pulzus A monitort Y-irányban vezérlő feszültség-impulzus A visszavert UH impulzus amplitudójával arányos DC feszültségimpulzus monitor egyenirányítás szűrés erősítés idővel arányos feszültség-jel 3 3

9 A képek transzformálása B (brightness) képbe Kétdimenziós B kép transzduer pulzus mozgatott transzduer d ekhó B-mód kijelző A-kép (Amplitúdó) sak egydimenziós lehet Δ t= d/ idő Detektor-sorok (array) Parallel pásztázás a pásztázás iránya lapkaméret A fényes pontok a mérési irányoknak megfelelően kerülnek a kijelzőre D ábrázolás Legyező alakú pásztázás lapkasoport egydimenziós B-kép (Brightness=fényesség).. 3. a vonalak a pásztázás iránya vö. Tkv. VIII.33. ábra 33 a képvonalak távolsága a vonalak 34 Az UH forrás felépítése aktív kábel Kétdimenziós B kép és A kép (szemészeti alkalmazás) Terjedési sebesség figyelembevétele pontos távolságok meghatározására: földelt kábel akusztikus szigetelő tompító egység aktív elektróda piezoelektromos kristály, λ/ ornea: 64 m/s sarnokvíz: 53 m/s műanyag ház földelt elektróda illesztő réteg vétel periodikus feszültség (AC) periodikus méretváltozás azonos frekveniával adás 35 humán szemlense: 64 m/s üvegtest: 53 m/s 36

10 TM kép (Time Motion) TM-kép B-kép EKG jel refereniaként (függőleges) egydimenziós B-kép időbeli változása idő (T)M-kép Time Motion Tkv. VIII.34. ábra Doppler jelenség Ha a sípoló vonat közeledik, akkor az álló megfigyelő az igazinál magasabb hangot észlel, ha pedig távolodik, akkor mélyebbet. (C. Doppler, 84) mélyebb megfigyelt frekvenia M M T=λ, f=/λ magasabb megfigyelt frekvenia 39 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 40

11 Doppler frekvenia = frekvenia változás = fr. eltolódás f f ' = Δf = f D = ± vr f Vörösvértestek, mint szóróentumok. CW Doppler berendezés áramlási átlagsebesség mérésére CW: folyamatos hullámú adó és vevő különválasztva f D v R os θ = f különbségi jel khz v R mérése színuszoszillátor ha v és nem párhuzamosak, akkor v helyett v osθ írandó képletbe A frekveniaváltozás előjele a véráramlás irányától függ pl. f=8000 khz v= m/s =600 m/s Θ = 37º f D = khz kis változás! (lebegés jelensége) Leválasztva: Hallható hang v= m/s Θ = khz 800 khz 4 4 fpiros f zöld Lebegés: két kisit eltérő frekveniájú hullám interfereniájakor a lebegés frekveniája megegyezik az interferáló jelek frekveniájának különbségével Doppler görbék minden időpillanatban egy sebességgel jellemezhető áramlás minden időpillanatban egy sebességeloszlással jellemezhető áramlás emlékeztető: α + β α β sinα + sin β = sin os 43 vö. zene/szívhangok idő-fr. reprezentáióban sebességeloszlástm-képe 44 Tkv. VIII.4. ábra

12 Spetral Doppler display A fényesség a reflektált jel intenzitását mutatja v A sebesség nagysága fluktuáiót mutat összevetés az EKG jellel idő 45 Δf előjele a véráramlás irányára jellemző Színkódolás Az UH kép felbontása transzduer felé: meleg színek, transzduertől elfelé: hideg színek Máj kapuér Axiális felbontás = CD távolság CD > 0.5 pulzushossz Pl. MHz, lágy szövet (=500 m/s) 3 periodusból alló pulzus pulzushossz = x (pulzus időtartama) = 375 μm CD > 88 μm Laterális felbontás = AB távolság AB ~ 0 x axiális felbontás Optimalizálás: nagy frekvenia (de elnyelés!) keskeny nyaláb fókuszálás BART: Blue Away Red Towards Szinek ~ vénás artériás áramlás örvénylés szűkületek f = 3 0 MHz 48

13 3D rekonstrukió húgyhólyag magzat ara nyaki verőér UH terápia tkv. 6.4.(3) példája: mehanikai és/vagy hőhatás MHz, W/m - kis intenzitás: mikromasszázs izomban 400 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 -fogászat: fogkőeltávolítás (0-40 khz) rezgő fémsús közvetlenül adja át a rezgési energiát a fogkőnek -tisztítás: diszpergáló hatás alapján Lökéshullám terápia (nem UH!) ESWL (extraorporeal shokwave lithotripsy kövek non invazív törése (vese, epe,...) kb. 0 kv-os kondenzátor víz alatti elektródapáron kisütve nyomásimpulzus, fókuszálás a kő helyére elliptikus tükörrel röntgen és/vagy UH képalkotóval követik a kezelés előrehaladtát 5 5

14 Vége Köszönöm a figyelmet! 53