Kiegészítő anyag (videók)

Átírás

1 Kiegészítő anyag (videók) Ruben-féle cső (Ruben s tube): Doppler UH (diagnosztikai cél): Nagy intenzitású, fókuszált UH (terápiás használat): HIUS Ultrahang Fizika Biofizika II. félév Orbán József PTE ÁOK Biofizikai Intézet április Képek forrása: 1

2 ?!? Hogyan mérhetünk hanggal távolságot/mélységet? Mi határozza meg az UH felvételen egy adott pont fényességét? Ultrahang készülék Képek forrása: 2

3 Color doppler: Transzducer felé: meleg szín Transzducertől el: hideg szín Kisebb sebesség: sötétebb szín Nagyobb sebesség: világosabb szín Köldökzsinór erek Doppler A vonatfütty hangjának hajlása az egyik jele annak, hogy a vonat nem ütött el minket." 3

4 Áramlási érdoppler Ultrahang - érdoppler v ' f f f0 2f0 cos v UH f 0 = 8 MHz Hangszóró f = 7,994 MHz f = 5,4 khz Bőr Ér Transducer f f f 0 Θ v UH v v' 75cm s vuh 1540m s 45 f 8MHz 0 Ultrahang - Doppler 1842: Christian Doppler Doppler ultrahang: Mozgó felületről reflektált UH frekvenciája különbözik az eredeti frekvenciától. f f 0 v ' 1 v UH f= reflektált UH frekvenciája f 0 = eredeti frekvencia v UH = UH terjedési sebessége a közegben v'= reflektáló felület sebességének az UH terjedés irányába eső komponense A vizsgálat folytonos UH sugárzással történik: Doppler eltolódás: f - f 0 v UH f f 0 v ' 2f cos Alkalmazások: 1. Doppler echocardiográfia 2. Érdoppler, áramlásvizsgálat 3. Magzati szívhang vizsgálata v'= vér áramlási sebessége v UH = UH terjedési sebessége a közegben f-f 0 = Doppler eltolódás = az UH nyaláb és a véráram tengelye által bezárt szög 4

5 Ultrahang Doppler echocardiográfia Szinkódolt Doppler echocardiográfia JK BK JP BP Ao Aorta insuffitientia A hang Hanghullám: longitudinális mechanikai hullám! (rezgés) 0 Hz 20 Hz 20 khz 2 MHz UH diagnosztikai 20 MHz f (Hz) tartomány infra hallható u l t r a tüdő epekő csont üveg/fém v (m/s) zsír víz vér tovaterjedéshez kell egy rugalmas közeg (rezgésbe jött részecskék): levegő, gáz, folyadék, szilárd, DE! vákumban nem 5

6 2D B-kép Egydimenziós B képek sorozata. A kiválasztott felület végigpásztázása egydimenziós echoméréssel (tomográfia). Számítógépes algoritmusok: műtermékek kiszűrése, jobb megjelenítés 3D rekonstrukció 2D metszeti B képek sorozata Műtermékek: Két erősen reflektáló felületrőlazuh többször oda vissza verődhet. A törés miatt egy határfelület mögött található visszaverő tárgy a valóditól eltérő irány alatt látszik. A hibásan kalibrált hangsebesség esetén a tárgy képe megnyúlik, vagy zsugorodik (ld.: a metanollal vagy glicerinnel töltött dobozok hossza) 6

7 Transzducer = jelátalakító külső burkolat egyik polaritás kábel tompító egység elektródák, MHz-es váltófeszültség táp/adat kábel akusztikai szigetelő másik polaritás kábel piezoelektromos kristály, λ/2 műanyag orr Kép forrása: + Az UH keletkezése: inverz piezoelektromos hatás + + Piezoelektromos kristály: természetes kristály (pl.: kvarc) mesterséges kristály (kerámialapka, pl.: PZT: ólom cirkonát titanát) Direkt piezoelektromos jelenség (mechanikai deformáció töltésszétválasztás feszültség) Inverz piezoelektromos jelenség (váltakozó feszültség töltésszétválasztás mechanikai deformáció UH) legjobb válasz: rezonancia frekvencián 7

8 UH impulzusok Impulzus ismétlés: 1 ms 1 khz μs (ultra) hang terjedése közegben Impulzus-visszhang elv (Pulse-echo principle) v= 1500 m/s, vízben UH forrás Terjedési idő: t= 2d/v Reflexió az első határfelületről. Mit látunk a képernyőn? Az UH készülék az impulzusecho idejét méri! Majd vízbeli terjedési sebességgel számol. 8

9 (ultra) hang terjedése közegben UH forrás Víz Vas Levegő V levegő = 330 m/s V víz = 1550 m/s V vas = 5100 m/s f = 2000 Hz λ levegő = cm λ víz = 77.5 cm λ vas = 2.55 m Levegőben gyengülő jel csillapodás, abszorpció Reflexió a határfelületen. Csillapodás a 2. közegben. I 0 = I reflektált +I elnyelt v 1 < v 2, ρ ~ v??? Mi történik a második határfelületnél??? Ultrahang tomográfia - alapok CT image Miért nem használunk UH ot teljes testmetszethez? falciform ligament FL lienorenal ligament LR gastrolienal ligament GL lesser omentum LO 9

10 Ultrahang 1. Hangsugárnyomás: a hullám terjedése útjában álló akadályra (pl. víz-levegő határfelület) ható, a hangintenzitással egyenesen arányos nyomás. 2. Abszorpció: a közeg általi energia-elnyelés, mely a közeg felmelegedéséhez vezet. Abszorpció nő a frekvenciával és a távolsággal (rétegvastagsággal). A(x) A x 0 e A= amplitúdó = abszorpciós együttható x= távolság (rétegvastagság) Tipikus készülékek: 8 MHz: felszíni erek 4 MHz: mély erek 2 MHz: szülészeti UH 3. Visszaverődés Ultrahang T = 1-R R(reflektált) z 1 =v 1 *ρ 1 z 2 =v 2 *ρ 2 z: akusztikus impedancia z 2 1 z2 R z z Tengelyirányú (axiális) feloldóképesség Ahhoz, hogy a d axiális távolságot feloldjuk: vt w 2d t w d Adott frekvencia esetében az axiális feloldás javul Q csökkenésével. Adott Q esetében az axiális feloldás javul a frekvencia növelésével. 10

11 Feloldóképesség Feloldási határ: két pont közötti távolság, amelyeket UH segítségével még különálló pontoknak detektálunk Felbontóképesség: a feloldási határ reciproka Sugárirányú (axiális) feloldási határ: mélységi elmosódottság Minél nagyobb f, annál rövidebb az UH impulzus, annál tisztább képet ad. A szöveti abszorpció f növekedésével nő. ő A frekvencia megválasztása mindig egy kompromisszum keresés a felbontóképesség és a leképezhető mélység között. Feloldóképesség Oldalirányú (laterális) feloldási határ: azonos az UH nyalábátmérővel Az ultrahangnyaláb szélességét alapvetően az ultrahangpulzust kibocsátó kristály mérete és az ultrahangnyaláb fókuszáltsága befolyásolja. A legjobb felbontóképességet abban a mélységben kapjuk, ahol az ultrahangnyaláb a leginkább fókuszált, illetve legkeskenyebb. 11

12 Fókuszálás 1. Fix fókusz pl. akusztikus lencsék Erősen fókuszált transzducereket alkalmaznak a szöveti roncsolásra, ahollokálisanigen nagy ultrahangintenzitás hőhatás jön létre. Fókuszálás 2. Elektronikus fókuszálás Különböző mélységekbe állítható a fókuszsík. DINAMIKUS FÓKUSZÁLÁS Transzducerek előtt késleltetők(zone focusing) Elektromos jelek transzducerek A nyaláb divergenciája a fókuszsík mögött is mérsékelt, így nagy a mélységélesség. é é Detektáláskor: echojel előbb éri el a középső transzducert, majd a mögé épített késleltető tagok miatt azonos fázisban találkoznak. 12

13 Pásztázás 1. Mechanikus: egyetlen piezoel. kristály Szektor szkennelés Elavult! (mindig fókuszált nyalábbal) 2. Elektronikus: Transducer array linear array curved array Egymás mellett sok (pl. 512) kerámialapka 1D képvonalak Eltolódás a következő elemre Ultrahang üzemmódok: A-mód (Amplitude): visszhang, mint feszültségimpulzus jelenik meg távolságmérés á é Ultrahang - üzemmódok B-mód (Brightness): a feszültségimpulzust az amplitúdóval arányos szürkeintenzitású pontként ábrázoljuk 2d B-mód: pásztázás Reflexió mértéke: szövet/csont 35% levegő/bőr 100% gél/bőr 0,1% Gél használata fontos! 13

14 Ultrahang - üzemmódok M-mód (time Motion): 1 metszeti vonal mentén történő periódikus mozgás időbeliségének ábrázolása (pl. echokardiográfia) X-tengelyen: idő Y-tengelyen: 1D B-módú kép (vonal) BP septum BK sys dias sys dias Mitralis stenosis idő Az UH egyéb felhasználási területei Hatására a finom szemcséjű porok összeállnak, pl.: portalanításgyárakban, ködmentesítés reptereken portalanításgyárakban, ködmentesítés reptereken Anyagvizsgálat, pl.: fémekben repedések, üregek vizsgálata (vasúti kocsik kerekének és sínnek a vizsgálata) Sonar: Tenger/folyó mélységének meghatározása, térképezés Elpusztítja a mikroorganizmusokat, ezért fertőtlenítésre alkalmas 14

15 Egyéb felhasználás UH terápiás alkalmazása A csillapodás oka az UH abszorpciója. Az elnyelt rezgés energiának lehet -Hőhatása (részecske rezgés nő) csillapítás db/cm %/cm vér 0,12 1,3 zsír 0,61 3 izom 1,2 24 bőr 2,7 39 csont 13,9 96 Tipikus készülékek: 8 MHz: felszíni erek 4 MHz: mély erek 2 MHz: szülészeti UH - Nem termális hatása (kavitáció, sejtmembrán permeabilitás változás) Kavitáció (üregképződés; cavum = üreg): molekulák közötti kohéziós erők leküzdésekor keletkező, rövid élettartamú üregek. Mikromasszázs szövetek rezgésbe jönnek eltérő frekvenciával, belső surlódás, endogén hőképződés (Fizikoterápia) 15