Hang és ultrahang. Sugárzások. A hang/ultrahang mint hullám. A hang mechanikai 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 mechanikai 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 hidrosztatikainyomás p teljes p hidrosztat + Δp nyomásváltozás, hangnyomás Δp( t, x) Δpmax sin π amplitúdó t T fázis x λ p 3 (t) p1 sin( ωt) + p sin(ωt) + p sin(3ωt) +... eriódikus 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.3. ábra. Tkv. IV.4. 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 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/Ga] [m/s] [kg/(m s)] levegő 1, , víz, 0 C 998 0, , aluminium 700 0, , kvarc 650 0, , 10 6 U Z el I élda: Egy 3 MHz-es, 50 mw/cm intenzitású hullám terjed vérben. Mekkora a nyomás, a rezgő részecskék maximális kitérése és sebessége ebben a hullámban? Z vér 1,66x10 6 kg/m s Megoldás: Intenzitás: Részecske sebessége: Kitérés: pmax J Z p IZ 40.74ka 3 p 40,74 10 Z 1,66 10 v 6 0,045m / s 4,5mm / s v 4,5 6 A 1,3 10 mm 1,3nm 6 ω Π 3 10

4 A hang/ultrahang intenzitása Intenzitásgyengülés terjedés közben 1 J Δ Z p eff Intenzitásgyengülés terjedés közben 1 el U Z el eff Elektromos analógia J rel J J 0 e μx csillapítás (db) J0 α 10 lg db J α 10 μ x lg edb J rel J D 1/μ J 0 e μx X csillapítás (db) J0 α 10 lg db J α 10 μ x lg edb 0 0 D 1/μ f 1 MHz-re D levegő ~1 cm D víz ~1 m X μ a diagnosztikai frekvencia tartományban arányos a frekvenciával fajlagos csillapítás α f x μ α/x μ a diagnosztikai (db/cm) frekvencia tartományban arányos a frekvenciával α f x μ ~ f k, k ~ 1(?) logμ ~ k logf ha egyenest kapunk, akkor jó a hatványfüggvény közelítés fajlagos csillapítás lágy szövetre: α db ~ 1 f x cm MHz f (MHz) k 3 k k 1 szövet fajlagos csillapítás Máj 0,6 0,9 Vese 0,8 1,0 Zsír 1,0,0 Vér 0,17 0,4 csont 16 3

5 A hang/ultrahang terjedése Az ultrahang reflexiója Törés sin α c sin β c * 1 Snellius-Descartes Visszaverődés J R R J 0 Visszaverődés * c 1 ρκ Ha Z1 Z R Z1 + Z R 1 teljes visszaverődés Hallható hangok frekvenciatartománya Hang - ultrahang Ultrahang előállítása macska iezoelektromos hatás szöcske 0 Hz 0 khz delfin denevér kutya ember Ultrahang: Infrahang: f > 0 khz f < 0 Hz Gyakorlatban: 0,8 15 MHz Mechanikai deformáció (nyomás) hatására elektromos feszültség

6 Ultrahang előállítása Inverz piezoelektromos hatás Ultrahang előállítása Inverz piezoelektromos hatás iezoelektromos kristály tipikus szerkezet Az elektromos potenciál- különbség deformációt okoz periodikus (szinuszos) elektromos jel periodikus deformáció rezgés mechanikai rezgés Elektromos jelforrás: szinuszoszcillátor Elektromos jelforrás: szinuszoszcillátor K,V ki be K 1 K K V K K V 1 erősítés végtelen szinuszoszcillátor bemenő jel: nincs, kimenet: szinuszos feszültség pozitív módon visszacsatolt erősítő K,V ki be K 1 K K V n(db) pontozott piros nyíl: a szinuszoszcillátor frekvenciája n max n max -3 kihúzott fekete görbe: frekvencia karakterisztika visszacsatolás nélkül f 1 π LC f a átviteli sáv f f f(log)

7 iezoelektromos 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 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/ 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)

8 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. Az ultrahang reflexiója Az ultrahang reflexiója anyag ρ κ c Z Visszaverődés [kg/m 3 ] [1/Ga] [m/s] [kg/(m s)] levegő 1, , J R R J 0 tüdő 400 5, , zsír 95 0, , lágy szövet , , szemlencse , , csontvelő 970 0, , Z1 Z R Z1 + Z csont, porózus , ,, 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

9 Az ultrahang reflexiója Az ultrahang reflexiója anyag c (m/s) ρ (kg/m 3 ) Z (kg/m 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/Ga] [m/s] [kg/(m s)] izom/vér 0,0009 levegő 1, , tüdő 400 5, , zsír/máj 0,006 zsír 95 0, , zsír/izom 0,01 lágy szövet , , szemlencse , , csont/izom 0,41 csontvelő 970 0, , csont/zsír 0,48 csont, porózus , ,, csont, tömör , , lágy szövet/levegő 0,99 Ha R 1 teljes visszaverődés csatoló közeg szükséges Az ultrahang reflexiója Abszorpció és reflexió Optimális csatolás: Ha R 1 Z csat teljes visszaverődés csatoló közeg szükséges Z 1 Z 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 s) határfelület R 10lgR (db) T 10lgT (db) zsír/izom izom/vér izom/csont

10 Az ultrahangos képalkotás, A-, B- és M-képek. Doppler-echo Echo elv Spallanzani: denevérek tájékozódása 18 - Colladen megméri a hang terjedési sebességét 10 mérföld palackorrú delfin Echo elv - képalkotás Y Z X Eltérítés / szabályozás A-kép egy dimenziós B-kép két dimenziós B-kép X Idő ( axiális távolság) Idő ( axiális távolság) Idő ( axiális távolság) cδt d+d d speciális transzducerből levegőbe is kicsatolható az UH intenzitás egy része Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl )

11 A-kép - Amplitúdó B-kép - Brightnessfényesség transzducer pulzus d ekhó A-kép Δ t d/c csak egydimenziós lehet idő egydimenziós B-kép cδt d+d d vö. Tkv. VIII.33. ábra Z Y X A hét kérdése Mi a szerepe a csatoló közegeknek (pl. csatoló gél) az UH diagnosztikában? Eltérítés / szabályozás A-kép egydimenziós B-kép kétdimenziós B-kép X Idő ( axiális távolság) Idő ( axiális távolság) Idő ( axiális távolság) Y Amplitúdó ( I refl ) - Laterális távolság Z (Fényesség) Fényesség ( I refl ) Fényesség ( I refl )

12 Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika II..4. VIII. 4..