Hang és ultrahang. Sugárzások. A hang/ultrahang mint hullám. A hang mechankai hullám. Terjedéséhez közegre van szükség vákuumban nem terjed

Átírás

1 Sugárzások mechanikai Nem ionizáló sugárzások Ionizálo sugárzások elektromágneses elektromágneses részecske Hang és ultrahang IH hallható hang UH alfa sugárzás béta sugárzás rádió hullámok infravörös fény látható fény ultraibolya fény röntgen sugárzás gamma sugárzás A hang/ultrahang mint hullám Longitudinális vs. transzverzális hullám hullámhossz A hang mechankai hullám Terjedéséhez közegre van szükség vákuumban nem terjed longitudinális hullám (gázokban és folyadékok belsejében csak ilyen) transzverzális hullám is kialakulhat szilárd testekben, folyadékok felszínén

2 A nyomás periódikus változása A nyomás periódikus változása A közeg részecskéinek sűrűsödése és ritkulása a terjedési irány mentén sűrűsödés ritkulás hidrosztatikainyomás p teljes p hidrosztat + Δp nyomásváltozás, hangnyomás Δp( t, x) Δpmax sin 2π amplitúdó t T fázis x λ Tkv. IV.23. ábra. p 3 (t) p1 sin( ωt) + p2 sin(2ωt) + p sin(3ωt) +... Periódikus jelekre alaphang frekvenciája hangmagasság Mechanikai hullámok tartományai frekvencia és intenzitás alapján felhangok aránya (spektrum) nyomás / intenzitás hangszín hangosság hangszín: felhangok aránya (spektrum) 8 Tkv. IV.23. ábra. Tkv. IV.24. ábra.

3 A hang/ultrahang terjedése A hang terjedési sebessége a rugalmas közeg szerepe A hang/uh sebessége különféle közegekben c fλ 1 ΔV κ V Δp c 1 ρκ κ a közeg kompresszibilitása ρ a közeg sűrűsége Szilárd anyagokban nagyobb a terjedési sebesség, mint gázokban, mert ρ κ lágy szövet: 1540 m/s (!) 10 vö. Tkv. II.4. táblázat Az akusztikus impedancia p Z v Z ρc p v Mértékegység: [ kg / m 2 s] mennyire áll ellen a részecske annak, hogy részecskéit rezgésbe hozzuk. max max ρ κ anyag akusztikus impedancia/ akusztikus ellenállás/ akusztikus keménység (definíció) ρ κ c Z [kg/m 3 ] [1/GPa] [m/s] [kg/(m 2 s)] levegő 1, , víz, 20 C 998 0, , aluminium , , kvarc , , U Z el I Példa: Egy 3 MHz-es, 50 mw/cm 2 intenzitású hullám terjed vérben. Mekkora a nyomás, a rezgő részecskék maximális kitérése és sebessége ebben a hullámban? Z vér 1,66x10 6 kg/m 2 s Megoldás: Intenzitás: Részecske sebessége: Kitérés: 2 pmax J 2Z p 2IZ 40.74kPa 3 p 40,74 10 Z 1,66 10 v 6 0,0245m / s 24,5mm / s v 24,5 6 A 1,3 10 mm 1,3nm 6 ω 2 Π 3 10

4 A hang/ultrahang terjedése Intenzitásgyengülés terjedés közben J 1 Δ Z 2 p eff μ α/x μ a diagnosztikai (db/cm) frekvencia tartományban arányos a frekvenciával J rel J D 1/μ J 0 e μx X csillapítás (db) J α 10 lg 0 J α 10 μ x lg e μ a diagnosztikai frekvencia tartományban arányos a frekvenciával μ ~ f k, k ~ 1(?) logμ ~ k logf ha egyenest kapunk, akkor jó a hatványfüggvény közelítés k 3 k 2 f 1 MHz-re D levegő ~1 cm D víz ~1 m fajlagos csillapítás α f x fajlagos csillapítás lágy szövetre: α db ~ 1 f x cm MHz f (MHz) k 1 α db ~ 1 f x cm MHz A hang/ultrahang terjedése szövet fajlagos csillapítás Máj 0,6 0,9 Vese 0,8 1,0 Zsír 1,0 2,0 Vér 0,17 0,24 csont Törés Visszaverődés sin α c sin β c * 1 Snellius-Descartes * c 2 1 ρκ

5 Hallható hangok frekvenciatartománya Hang - ultrahang Piezoelektromos hatás macska szöcske 20 Hz 20 khz denevér kutya delfin ember Mechanikai deformáció (nyomás) hatására Ultrahang: f > 20 khz elektromos feszültség Gyakorlatban: 0,8 15 MHz Infrahang: f < 20 Hz Ultrahang előállítása Inverz piezoelektromos hatás Ultrahang előállítása Inverz piezoelektromos hatás Piezoelektromos kristály tipikus szerkezet Az elektromos potenciál- különbség deformációt okoz periodikus (szinuszos) elektromos jel periodikus deformáció rezgés mechanikai rezgés

6 Elektromos jelforrás: szinuszoszcillátor Elektromos jelforrás: szinuszoszcillátor pozitív módon visszacsatolt erősítő A U, visszacsatolt βa U 1, erősítés végtelen szinuszoszcillátor bemenő jel: nincs, kimenet: szinuszos feszültség A A U 1 β U n(db) pontozott piros nyíl: a szinuszoszcillátor frekvenciája f 1 2π LC n max n max -3 kihúzott fekete görbe: frekvencia karakterisztika visszacsatolás nélkül f a átviteli sáv f f f(log) Piezoelektromos hatás Ultrahang detektálása Magnetostrikció Ultrahang előállítása Mechanikai deformáció (nyomás) hatására elektromos feszültség Ultrahang transzducer kettős funkciója: Adás elektromos jelből ultrahang (inverz piezoelektromos hatás) ferromágneses anyagok (pl. Co) viselkedése mágneses térben. Vétel ultrahangból elektromos jel (piezoelektromos hatás

7 Az ultrahang-fej felépítése földelt elektród Az UH impulzusok jellemzői transzducer: adó és vevő egyben időbeli szétválasztás folyamatos hullám helyett impulzusok impulzus ismétlődési idő: 1 ms aktív elektród UH kibocsátás bőr impulzus ismétlődési frekvencia: 1000/s 1 khz nλ/2 nλ/4 tompító egység piezoelektromos egység UH detektálás illesztő egység transzducer impulzusidőtartam: 1 μs UH frekvenciája: 1-10 MHz UH terjedési sebessége (lágy szövetekben): 1540 m/s Tkv. VIII.32. ábra Fókuszálás Az ultrahang orvosi alkalmazásainak alapjai Terápa alapja az ultrahang elnyelődése Diagnosztika alapja az ultrahang reflexiója Fókuszáláskor a nyaláb divergenciája nő a távoltérben és romlik a mélységélesség. Vö. Tkv. 500.o. 1. ábra

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

9 Az ultrahang reflexiója Abszorpció és reflexió Ha Optimális csatolás: R 1 Z csat teljes visszaverődés csatoló közeg szükséges Z 1 Z 2 relatív impulzus amplitúdó (db) 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 Z csatológél ~ 6, kg/(m 2 s) határfelület R 10lgR (db) T 10lgT (db) zsír/izom izom/vér izom/csont Az ultrahangos képalkotás, A-, B- és M-képek. Doppler-echo Echo elv 1794 Spallanzani: denevérek tájékozódása 1822 Colladen megméri a hang terjedési sebességét 10 mérföld palackorrú delfin

10 Echo elv - képalkotás Y Z X Eltérítés / szabályozás A-kép egy dimenziós B-kép két dimenziós B-kép X cδt d+d 2d speciális transzducerből levegőbe is kicsatolható az UH intenzitás egy része Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl ) A-kép - Amplitúdó B-kép - Bightnessfényesség transzducer pulzus d ekhó csak egydimenziós lehet A-kép Δ t 2d/c idő egydimenziós B-kép cδt d+d 2d vö. Tkv. VIII.33. ábra

11 B-kép - Bightnessfényesség Z Y X kétdimenziós B-kép direkt tomográfia Eltérítés / szabályozás A-kép egydimenziós B-kép kétdimenziós B-kép X Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl ) B-kép - Bightnessfényesség Z Y X kétdimenziós B-kép Eltérítés / szabályozás A-kép egydimenziós B-kép kétdimenziós B-kép X mozgatott transzducer Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl )

12 TM-kép TM-kép B-kép Time Motion EKG jel referenciaként (függőleges) egydimenziós B-kép időbeli változása idő (T)M-kép Time Motion 46 Tkv. VIII.34. ábra Kétdimenziós B-kép és A-kép (szemészeti alkalmazás) Terjedési sebesség figyelembevétele pontos távolságok meghatározására: cornea: 1641 m/s csarnokvíz: 1532 m/s humán szemlencse: 1641 m/s üvegtest: 1532 m/s 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). Felbontóképesség: a feloldási határ reciproka.

13 A sugárirányú (axiális) feloldási határ az impulzushossztól függ. Az impulzushossz fordítottan arányos a frekvenciával. Feloldási határ, feloldóképesség Jellemző értékek A laterális feloldási határt a nyalábátmérő szabja meg. 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

14 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 (im 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. f8000 khz v12 cm/s c1600 m/s Θ 37º Tkv. VIII.41. ábra Színkódolás transzducer felé: meleg színek, transzducertől elfelé: hideg színek Intenzitás biológiai hatás diagnosztika: 10 mw/cm 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 55 besugárzási idő (s)

15 UH (mellék)hatásai Hőhatás - Helyi termikus hatás arányos az UH intenzitásával - dt 2αI dt ρc - A sűrűbb izomszövet általában kevésbé melegszik, mint a zsír Kavitációs hatás Terápiás alkalmazások Fogkő eltávolítás - mikromasszázs - surlódás - termikus hatás - súrlódás és abszorpció izomlazítás fájdalomcsillapítás értágítás frekvencia tartomány: khz (J < 300 mw/cm 2 ) Gázbuborékok összenyomódása és kitágulása A fogkő kavitáció hatására leválik a fogfelszínről. A hőhatást is figyelembe kell venni.

16 HIFU high intensity focused ultrasound (J néhány W/cm 2 ) Üregek keletkeznek és omlanak össze. Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika II VIII Több forrásból származó UH nyaláb fókuszában nagy intenzitás (Lokálisan: T ~ 8000 K p ~ 109 Pa) Sejtek roncsolása daganatok eltávolítása