Az ultrahang, mint fizikai jelenség; előállítása, tulajdonságai, diagnosztikai alkalmazásának fizikai alapjai

Átírás

1 Az ultrahang, mint fizikai jelenség; előállítása, tulajdonságai, diagnosztikai alkalmazásának fizikai alapjai 03 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 síp rugó A nyomásváltozás leírása hullámfüggvénnyel Levegő sűrűségének periodikus változása térbeli és időbeli periodiitás 3 hidrosztatikai nyomás p teljes = p hidrosztat + Δp nyomásváltozás hang nyomás amplitúdó Δp( t, x) = Δpmax sin π longitudinális hullám (folyadékokban, lágy szövetben, gázokban sak ilyen) transzverzális hullám (szilárd testekben pl. sontban mind longitudinális, mind transzverzális) t T fázis T = λ, = f λ x + φ λ Nem fénysebesség!

2 Hang hullámok tartományai frekvenia és intenzitás alapján Hallás fájdalom küszöbe feletti intenzitások pl. W/m =0 4 W/m Az ultrahang intenzitása intenzitás = energia áram sűrűség v. teljesítménysűrűség J elektromos analógia -- teljesítmény P el = U el eff ΔE Δt ΔA W m = AC- körben akusztikai fogalmakkal teljesítmény-sűrűség J = akuszt Δp eff = akuszt Δp max effektív érték: Δp eff = Δp max Nagy intenzitás nagy nyomásfluktuáiót jelent ( től függ) 5 6 Az UH intenzitást 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!! Terápia: f= 0.5 MHz Pl. izom =600m/s λ=/f λ= 3..6 mm x λ/= mm A gyakorlatban szükséges J magasabb: 0 W/m??? Javasolt felső határ J 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 7 8

3 Az UH intenzitást limitálni szükséges Diagnosztika: f= () 0 MHz λ/= μm izomban ~sejtek mérete!! A gyakorlatban szükséges J magasabb: 0 W/m Megoldás: rövid UH impulzusok átlagos J lesökken ms J átlag = 0mW/m ΔV / V κ = Δp = Az akusztikus impedania és a rugalmas közeg paraméterei ρκ = ρ = ρ κ kompresszibilitás relatív térfogat sökkenés per nyomás növekedés terjedési sebesség, ρ-sűrűség akusztikus impedania /ellenállás/keménység μs 9 0 Az UH sebessége különféle közegekben A sebesség nem függ a frekveniától = hangsebesség 340 m/s átlagos lágy szövet: 540 m/s (!) 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 kvar , 0 6

4 Energiaveszteség terjedés közben (abszorpió) Érvényes az exponeniális sugárgyengülési törvény I J I 0 J 0 J 0 I/ 0 J 0 I/e J = J 0 e 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 α = J 0 lg 0 J db α = 0 μ x lg e db α = konst. μ x μ a diagnosztikai tartományban függ a frekveniától Próba: μ = a f log μ = log a + k log f k = k α α fajl = f x μ α/x (db/m) lineáris kapsolat, arányosság Jó közelítés! diagnosztika k = 3 k = D /μ x 3 fajlagos sillapítás: sak a közegre jellemző pl. lágy szövetre: α db fajl. = m MHz f (MHz) k = Közegek határán lejátszódó jelenségek Reflexió: az UH diagnosztika alapja merőleges beesés ferde beesés reflexióképesség teljes visszaverődés: J be J tr J be > beesési merőleges J R = visszavert Jbejövő = + az akusztikus impedaniák különbségétől függ <<, R kerülendő! UH forrás levegő testszövet J refl J be = J tr +J refl reflexió és transzmisszió J refl sinα = sinβ J 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 5 6 Tkv. II.47. ábra

5 Ferde beesés ill. külső felülethez képest ferde helyzetű réteg Sok esetben a víz is lehet jó satoló közeg 7 8 Piezoelektromos jelenség UH keltés - detektálás. SiO kristály 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, =, (a) Alapállapot: a pozitív és negatív töltések 0, súlypontja egybe esik. tüdő 400 5, ,6 0 6 (b) és () : Nyomás hatására a töltések súlypontja zsír 95 0,5 470, ,63 szétválik, feszültség keletkezik (direkt hatás) víz, 0 C , ,00 ill. feszültség hatására a kristály deformálódik. víz, 36 C , agy , ,85 lágy szövet , ,3,7 máj 060 0, ,65 0 UH keltés: inverz effektus 0,94 vese 040 0,40 560,6 0 6,0 UH detektálás: direkt effektus lép , ugyanazon kristály forrás és detektor izom ,63 0 6,3 3,3 vér 060 0,38 570,6, ,8 szemlense 60,84 0 6,0 Elektro/magneto strikió: kerámiák gázgyújtó sontvelő , sont, porózus 380 0, ,,9 0 6 sont, tömör 700 0, , 0 6 0,0 Elektromos /mágneses dipólus-egységekből álló szilárd fázisú anyagok aluminium 700 0, ,8 0 6 Dipólusok az elektromos/mágneses térben átrendeződnek méretváltozás satoló gél 6,5 0 6 (inverz effektus is) ólom-irkonáttitanát Anyaguk mehanikailag ellenállóbb kvar , Alasonyabb frekveniák: 0-40 khz fogkőeltávolítás 9 0

6 A diagnosztikai UH impulzusok jellemzői Az UH forrás felépítése 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 UH terjedési sebessége földelt kábel műanyag ház aktív kábel akusztikus szigetelő tompító egység aktív elektróda piezoelektromos kristály, λ/ földelt elektróda illesztő réteg, λ/4 impulzus időtartama UH frekveniája vétel adás Az UH nyaláb kialakulása (egyszerűsített kép) Az UH nyaláb perspektivikus képe J közeltér (Fresnel zóna) távoltér (Fraunhofer zóna) 3 x axiális irányban az intenzitás változás 4

7 Feloldási határ, feloldóképesség A feloldási határt ama két pont közötti távolsággal jellemezhetjük, amelyeket az UH segítségével még különálló pontokként detektálhatunk Felbontóképesség: a feloldási határ reiproka. A sugárirányú (axiális) feloldási határ az impulzushossztól függ, fordítottan arányos. Az impulzushossz fordítottan arányos a frekveniával. A laterális feloldási határt a nyalábátmérő szabja meg. Az axiálisnál kb. 5-0x nagyobb Jellemző 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 Jelátalakítás 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 7 8

8 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 9 a képvonalak távolsága a vonalak 30 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 3 Tkv. VIII.34. ábra 3

9 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 T=λ, 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 v f ' = f ± M Doppler frekvenia = frekvenia változás = fr. eltolódás (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 f f ' = vf m v ± f ' = f v m M F 35 (d) Átrendezésével mozgó reflektáló felület esetén: a frekvenia változás (Doppler frekvenia, f D ) Δf = f v D = ± R ha v és nem párhuzamosak, akkor v helyett v osθ írandó képletbe A frekveniaváltozás előjele a véráramlás irányára jellemző f 36

10 Vörösvértestek, mint szóróentumok. CW Doppler berendezés áramlási átlagsebesség mérésére CW: folyamatos hullámú adó és vevő különválasztva f D v R osθ = f pl. f=8000 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 37 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 38 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

11 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 4 nyaki verőér 4 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 43 44

12 45 46