Ultrahang. A hang. A hanghullámot leíró függvény. Az ultrahang

Átírás

1 A hang Ultrahang fizikai tulajdonságai előállítása diagnosztika terápia A hang: mechanikai hullám Közegre van szükség a terjedéséhez Szilárd testben: longitudinális vagy transzverzális hullám Folyadékok, gázok: longitudinális hullám (nyírófeszültség hiánya miatt) Folyadék felületén transzverzális hullámok is kialakulhatnak (a felületi feszültség miatt) A lágy szövetek folyadéknak tekinthetők! A hanghullámot leíró függvény t x ( t x) = Δp sin π Δp, max Δp max maximális nyomásváltozás T periódusidő (= 1/f) λ hullámhossz c = f λ T λ Terjedési sebesség: levegőben 330 m/s vízben kb m/s Az ultrahang Emberi hallás frekvenciatartománya: 0 Hz 0000 Hz. f < 0 Hz infrahang, f > Hz ultrahang. Emberi fül számára nem hallható, de: kutya, denevér, delfin. Orvosi gyakorlatban 10 MHz UH használatos. A hanghullám terjedési sebessége nem függ a frekvenciától, csakis a közeg anyagi tulajdonságaitól! 1

2 Az ultrahang terjedési sebessége 1 c = ρκ ρ κ közeg sűrűsége kompresszibilitás c szilárd > c folyadék > c gáz Lágy szövetekben c = 1540 m/s. ΔV / V κ = Δp Az akusztikus impedancia Akusztikai keménység : megmutatja, mennyire áll ellen a közeg annak, hogy a részecskéket mozgásba hozzuk, mennyire kemény az anyag akusztikus szempontból. p Z = v Z = cρ Z = ρ κ Intenzitás, kavitáció Intenzitás: a sugárzás irányára merőlegesen elhelyezett egységnyi felületen időegység alatt áthaladó energia m.egys.: W/m a hullámmozgás amplitúdójának négyzetével egyenesen arányos. ( Δ ) I ~ p max nyomásingadozás szövetkárosodás Az UH frekvenciából adódóan a hullámhossz tartománya a sejtek méretével egybeesik kavitáció Energiaveszteség terjedés közben Az UHban terjedő energia súrlódás, hőfejlődés miatt a terjedés közben veszteséget szenved, a sugárzás intenzitása csökken. abszorpció μx Abszorpciós törvény: I = I 0 e μ ~ f I Csillapítás (α, m.e.: db): α = 10 lg 0 I α = 10 μ x lg e fajlagos csillapítás α / ( f x) Szóródás a közeg részecskéin anyagra jell. állandó μ = μ absz + μ szórás

3 Közegek határán anyag levegő víz csont ρ (kg/m 3 ) 1, κ (1/GPa) ,4 0,05 c (m/s) Z (kg/(m s)) 0, , , fajlagos csillapítás (db/(cm MHz) 1, 0 Reflexió Az UH felvételen azok a részletek jelennek meg, amelyek határfelületén az UH visszaverődik. Reflexióképesség: J R Z1 Z R = R = J 0 Z1 + Z Teljes visszaverődés: pl. levegőszövet határon csatolóközeg szükséges! Jeldinamika: ~100 db a várható legnagyobb és még hasznosítható legkisebb jel viszonya. Határfelület R aluminium csatológél 700 0, , , Törés Ferde beesés, vagy ferde helyzetű rétegek esetében képtorzítás jön létre. izom/vér csont/izom lágy szövet/levegő 0,0009 0,41 0,99 Piezoelektromosság Egyes kristályokban deformálódás hatására elektromos feszültség keletkezik (pl. kvarc). Inverz piezoelektromos hatás: elektromos térbe helyezett kvarckristály az egyik irányba megnyúlik, másikba összenyomódik. Váltóáramra kapcsolva periodikus alakváltozást szenved. A kristály tehát kettős transzducer. Magnetostrikció Mágneses mezőbe helyezett vasdarab a mező változásának hatására alakját változtatja, összehúzódik vagy kitágul. Gyakorlatban általában kötegelt Nilemezeket használnak, aminek a belsejében lévő tekercsekre váltóáramot vezetnek. A lemezek mozgása hozza létre az ultrahangot. 3

4 Az ultrahangnyaláb Impulzusvisszhang elv (Pulseecho principle) közeltér: nyomásinhomogenitások. fókuszzóna az UH nyaláb fókuszálása fixfókuszmegoldás: akusztikus lencse elektronikus fókuszálás dinamikus fókuszálás Fresnel zóna Fraunhoffer zóna Impulzus = rezgés csomag Q = a periódusok száma az impulzusban szünet: ms imp. hossza: μs f: 110 MHz (1 MHz=10 6 Hz) transzducer UHfrekvenciájú feszültségimpulzus UH impulzus kis Q nagy Q r Távolságmérés: reflektáló felület UH nyaláb frekvenciasáv r /λ ct d = impulzus echo d A megjelenítés alapelve Egydimenziós Amód, távolságmérés Katódsugárcső x eltérítő lemezpárra fűrészfeszültséget kapcsolunk idő y eltérítő lemezpárra kapcsoljuk a jelet D: x fűrészfeszültség y lépcsős fűrészfeszültség pásztázó pont fényessége adja a D képet A : Amplitúdó Egyetlen transzducer, egy vonalban terjedő UH nyaláb. A visszhangot mint feszültségimpulzust jelenítjük meg oszcilloszkópon. A jelek visszaérkezési ideje az objektum távolságától, a jel amplitúdója pedig az objektum akusztikus impedanciájától függ. ct d = 4

5 Egydimenziós Bmód TM mód (M mód) B : Brightness = fényesség A feszültségimpulzust az amplitúdóval arányos szürkeintenzitású pontként ábrázoljuk. Átvezetés az összetettebb képekhez. Az x, vagy az y irányú eltérítő elektródára nem kapcsolunk feszültséget. Távolságmérésre alkalmas. Az egydimenziós Bképet önmagában nem alkalmazzák. TM : Time Motion Periodikus mozgás időbeliségének ábrázolása Xtengelyen: idő Ytengelyen: 1dimenziós Bmódú kép (vonal) D Bmód, UHtomográfia Egydimenziós B képek sorozata. Sík letapogatása (pásztázás, scanning). Mechanikus pásztázás (egyetlen, vonalban gyorsan mozgatott piezo kristály). szektorszken Elektronikus pásztázás (több száz, vonalba rendezett piezo kristály). linear array téglalap alakú kép curved array legyező alakú kép UH képek feloldóképessége Az a két pont közötti távolság, amelyet UH segítségével még különálló pontokként detektálhatunk. axiális (sugárirányú) feloldási határ: impulzushossz fele (egymást éppen érintik az egymás mögül induló echók) 3 MHz esetében 0,75 mm. laterális feloldási határ: axiálisnál mindig nagyobb nyalábátmérővel azonos fókuszrégióban a legjobb kb. 5 mm (15 mm átmérőjű lapka esetében) 5

6 3D rekonstrukció 4D ultrahang időfüggő 3D Legyezőszerűen elforduló scanner. Képrekonstrukció intenzív digitális képanalízist igényel. Dopplermódszerek Doppler effektus: Mozgó felületről reflektált UH frekvenciája különbözik az eredeti frekvenciától. v f = f0 1 ± c f = reflektált UH frekvenciája f 0 = eredeti frekvencia v = UH terjedési sebessége a közegben c = reflektáló felület sebességének az UH terjedés irányába eső komponense Doppler eltolódás: f f 0 Folytonos UH sugárzás! (transzducerben 1 adó + 1 vevő kristály) Alkalmazások: 1. Magzati szívhang vizsgálata. Doppler eltolódás a hallható tartományban.. Doppler kardiográfia: ( f f ) v 0 c = f cosθ c = vér áramlási sebessége v = UH terjedési sebessége a közegben ff 0 = Doppler eltolódás θ = az UH nyaláb és a véráram tengelye által bezárt szög Az UH hatásai a szövetekre mechanikus mikromasszázs, kőzúzás termikus a szöveteket és határrétegeket felmelegíti kémiai oxidáció, depolimerizáció, alkalózist kiváltó hatás biológiai komplex baktericid, fungicid, virucid hatás Alkalmazás: testfelszínen víz alatt (kisméretű, egyenetlen felület, ill. kontraktúrák oldása), Különböző hatóanyagokat is bejuttathatunk a kezelni kívánt területbe (sonoforézis). 6

7 Alkalmazási területek urológia (kőzúzás) sebészet (HIFU akusztikus kés) fizioterápia onkológia kozmetika (anticellulit kezelés) fogászat (fogkőeltávolítás) 7