Hang ultrahang kosmai kérdés: mennyi bor van a hordóban? orvosi kérdés: mennyi levegő van a tüdőben? Augenbrugger (grazi kosmáros orvos ia, 76): perkusszió üreges szervek légtartalmának a vizsgálatára KAD 04.0.7 síp rugó Hang: mehanikai hullám (modell) térbeli és időbeli periodiitás hidrosztatikai nyomás p teljes = p hidrosztat + p nyomásváltozás, hangnyomás longitudinális hullám (gázokban és olyadékok belsejében sak ilyen) transzverzális hullám üggvény nyomás DC + AC amplitúdó ázis t x p( t, x) pmax sin T 3 Tkv. II.45. ábra. T = = 4
Mehanikai hullámok tartományai rekvenia és intenzitás alapján hangmagasság: alaphang rekveniája hangszín: elhangok aránya (spektrum) 5 6 Tkv. IV.3. ábra. Tkv. IV.4. ábra. A rugalmas közeg szerepe V V p kompresszibilitás relatív térogat sökkenés per nyomás A hang/h sebessége különéle közegekben p v p v max max terjedési sebesség akusztikus impedania/ akusztikus ellenállás/ akusztikus keménység (deiníió) el I akusztikus impedania (hasznos alak) 7 lágy szövet: 540 m/s (!) 8 vö. Tkv. II.4. táblázat
Az ultrahang intenzitása Intenzitásgyengülés terjedés közben (abszorpió) J J 0 J 0 / J 0 /e J J J 0 e sillapítás: x p e Pel e el intenzitás = energia-áram sűrűség J0 0 lg db J 0 x lge db a diagnosztikai rekvenia tartományban arányos a rekveniával elektromos analógia ajlagos sillapítás: x 9 a diagnosztikai rekvenia tartományban arányos a rekveniával ~ k, k ~ (?) log ~ k log ha egyenest kapunk, akkor jó a hatványüggvény közelítés ajlagos sillapítás lágy szövetre: db ~ x m MHz /x (db/m) (MHz) k = 3 k = k = Közegek határán lejátszódó jelenségek Relexió (merőleges beesés) merőleges beesés erde beesés relexióképesség: teljes visszaverődés: J be J tr J be > beesési merőleges R J visszavert J bejövő, R optimális satolás: J rel J be = J tr +J rel relexió és transzmisszió J rel sin sin J tr Snellius-Desartes határelület R izom/vér 0.00 zsír/máj 0.006 zsír/izom 0.0 sont/izom 0.4 sont/zsír 0.48 lágy szövet/levegő 0.99 satoló orrás bõr Tkv. II.47. ábra
Ferde beesés ill. külső elülethez képest erde helyzetű réteg Abszorpió és relexió k n k tényleges helyzet ábrázolt helyzet n k n relatív impulzus amplitúdó (db) minél később/ minél mélyebbről érkezik vissza a relexió, annál gyengébb a relektált intenzitás visszaverődési idő üggő erősítés TGC: time gain ompensation DGC: depth gain ontrol n k k n k n 3 határelület R 0lgR (db) T 0lgT (db) zsír/izom 0.0-0.0 0.990-0.044 izom/vér 0.00-30.0 0.999-0.004 izom/sont 0.4-3.9 0.590 -.9 4 Tkv. 53.o. H keltés. Piezoelektromos jelenség Elektromos jelorrás (szinuszoszillátor)+ transzduer (piezokristály). (a) A pozitív és negatív töltések súlypontja egymásba esik. (b) és () Nyomás hatására a töltések súlypontja szétválik, azaz eszültség keletkezik (direkt ~) ill. eszültség hatására a otthon: gázgyújtó kristály deormálódik (inverz ~). vö. Tkv. VIII.9. ábra a b H keltés: inverz ~ H detektálás: direkt ~ hangal magassugárzója 5 Elektromos jelorrás: szinuszoszillátor pozitív módon visszasatolt erősítő A, visszasatolt A A A =, erősítés= végtelen szinuszoszillátor bemenő jel: nins, kimenet: szinuszos eszültség n(db) n max n max -3 a átviteli sáv pontozott piros nyíl: a szinuszoszillátor rekveniája kihúzott ekete görbe: rekvenia karakterisztika visszasatolás nélkül (log) 6
Az H orrás elépítése öldelt kábel műanyag ház aktív kábel akusztikus szigetelő tompító egység aktív elektróda piezoelektromos kristály, / öldelt elektróda illesztő réteg, /4 bőr Az H impulzusok jellemzői transzduer: adó és vevő egyben időbeli szétválasztás olyamatos hullám helyett impulzusok transzduer impulzus ismétlődési idő: ms impulzus ismétlődési rekvenia: 000/s = khz impulzusidőtartam: s H terjedési sebessége (lágy szövetekben): 540 m/s vétel adás H rekveniája: -0 MHz 7 8 Tkv. VIII.3. ábra Időüggvény A A Spektrum Az H nyaláb kialakulása (egyszerűsített kép) szinusz üggvény T t P =/T 0 vonalas sp. ( vonal) periodikus üggvény T B B P t =/T 0 vonalas spektrum egy pár periódus C C dp/d T t =/T 0 sávos spektrum (Fresnel zóna) Nyaláborma olytonos sugárzó esetén (Fraunhoer zóna) ~ impulzus(üzemű) sugárzó esetén kisit több periódus T D D t dp/d =/T 0 alkalm.: pulzus ultrahang sávos spektrum aperiodikus üggvény E E dp/d t olytonos spektrum 9 0
Az H nyaláb perspektivikus képe Feloldási határ, eloldóképesség A eloldási határt ama két pont közötti távolsággal jellemezhetjük, amelyeket az H segítségével még különálló pontokként detektálhatunk (minél nagyobb az értéke, annál rosszabb a helyzet). Felbontóképesség: a eloldási határ reiproka. J A sugárirányú (axiális) eloldási határ az impulzushossztól ügg. Az impulzushossz ordítottan arányos a rekveniával. Jellemző értékek A laterális eloldási határt a nyalábátmérő szabja meg. axiális irányban az intenzitás változás x rekvenia (MHz): 5 hullámhossz (izomban) (mm): 0.78 0. behatolási mélység (m):.6 laterális eloldási határ (mm): 3.0 0.4 axiális eloldási határ (mm): 0.8 0.5 vö. Tkv. 499.o. Axiális eloldási határ : d impulzushossz ax impulzusidő d eloldási határ Az impulzushossz ele az axiális eloldás határa, mivel ekkor éppen érintik egymást az egymás mögötti helyekről induló ehók. Laterális eloldási határ lat F ~ R F: ókusztávolság R: transzduer átmérő : hullámhossz ~ T 3 4
Fókuszálás Huygens elv Vö. Tkv. 500.o.. ábra Fókuszáláskor a nyaláb divergeniája nő a távoltérben és romlik a mélységélesség. 5 A hullámront minden pontja elemi hullámok kiindulópontjának tekinthető. Az új hullámront ezen elemi hullámok burkológörbéje. 6 Elektronikus ókuszálás a pásztázás.. 3. 4. 5..... iránya Pásztázás sokelemes lineáris lapkasoport ( linear array ) sokelemes íves lapkasoport ( urved array ) lapkasoport lapkaméret a pásztázás iránya ókuszálatlan H nyaláb ókuszált H nyaláb (k+)-dik ókuszpont k-dik ókuszpont (k+)-dik ókuszpont 7 a képvonalak távolsága.. 3.... a vonalak.. 3. a vonalak 8 vö. Tkv. 50.o.. ábra vö. Tkv. VII. 36-37. ábrák
H rekveniás eszültségimpulzus-adó késleltető elemek a sugárzó lapkák 3 4 5 6 7 8 9. a nyaláb iránya Az ultrahangos képalkotás, A-, B- és M- képek. Doppler-eho H rekveniás eszültségimpulzus-adó n n 3 4 5 6 7 8 9 n. n. sugárirány. hullámront eredő hullámront ókusz Pásztázás és ókuszálás 9 Doppler vö. Tkv. 507.o. 794 Spallanzani: denevérek tájékozódása Eho elv Eho elv speiális transzduerből levegőbe is kisatolható az H intenzitás egy része 8 Colladen megméri a hang terjedési sebességét t = d+d = d 0 méröld palakorrú delin 3 3
Eho elv, H képek Kétdimenziós B-kép transzduer pulzus mozgatott transzduer d ekhó B-mód kijelző A-kép (Amplitúdó) sak egydimenziós lehet egydimenziós B-kép (Brightness=ényesség) t= d/ idő 33 34 vö. Tkv. VIII.33. ábra TM-kép Kétdimenziós B-kép és A-kép (szemészeti alkalmazás) Terjedési sebesség igyelembevétele pontos távolságok meghatározására: EKG jel reereniaként (üggőleges) egydimenziós B-kép időbeli változása Tkv. VIII.34. ábra idő (T)M-kép Time Motion 35 ornea: 64 m/s sarnokvíz: 53 m/s humán szemlense: 64 m/s üvegtest: 53 m/s 36
TM-kép B-kép Doppler jelenség Ha a sípoló vonat közeledik, akkor az álló megigyelő az igazinál magasabb hangot észlel, ha pedig távolodik, akkor mélyebbet. (C. Doppler, 84) T, 37 Tkv. VIII.39. ábra 38 : megigyelt rekvenia, : eredeti rekvenia (a) álló orrás és mozgó megigyelő +: megigyelő közeledik a orráshoz : megigyelő távolodik a orrástól (b) mozgó orrás és álló megigyelő (ha v F <<, akkor ugyanaz, mint (a)) () mozgó orrás és mozgó megigyelő (d) mozgó relektáló tárgy (elület), (ha v R << ) v ' ' vf v ' v M F v ' M R 39 Doppler rekvenia = rekvenia változás = r. eltolódás ha v i, v R << (i=m vagy F) átrendezésével a rekvenia változás (Doppler rekvenia, D ) (d) átrendezésével a rekvenia változás (Doppler rekvenia, D ) D vi v D R ha v és nem párhuzamosak, akkor v helyett v os írandó képletbe 40
Színkódolás transzduer elé: meleg színek, transzduertől elelé: hideg színek Vörösvértestek, mint szóróentumok. CW Doppler berendezés áramlási átlagsebesség mérésére CW: olyamatos hullámú adó és vevő különválasztva (egymás mellett) D v R os pl. =8000 khz v= m/s =600 m/s = 37º BART: Blue Away Red Towards power Doppler 4 D = khz (lebegés jelensége) 4 Tkv. VIII.4. ábra Lebegés piros a lebegés rekveniája megegyezik az zöld intereráló jelek rekveniájának különbségével egy állandó sebesség (v*) Doppler görbék sebességeloszlás (v módus -sal) sávszélesség emlékeztető: sin sin sin os 43 Tkv. VIII.4. ábra sebességeloszlástm-képe eloszlásüggvény egy időpillanatban 44
Doppler görbék minden időpillanatban egy sebességgel jellemezhető áramlás minden időpillanatban egy sebességeloszlással jellemezhető áramlás vö. zene/szívhangok idő-r. reprezentáióban 45 46 sebességeloszlástm-képe Tkv. VIII.4. ábra Felületi ill. 3D rekonstrukió húgyhólyag nyaki verőér magzat ar 47 48
diagnosztika: 0 mw/m = =00 W/m Intenzitás vö. ájdalomküszöb: 0 W/m terápia: W/m intenzitás (W/m ) eltételezetten káros hatású tartomány H terápia példa: MHz, W/m mehanikai és/vagy hőhatás izomban 00 kpa a p(!) kis intenzitás: mikromasszázs -00 és +300 kpa között változik a p nagy intenzitás: ronsoló hatás sejtállományt enntartó kötőerők legyőzése (szabad gyökök, H O, DNS lántörések spatial average temporal average (SATA) intensity; spatial peak temporal peak (SPTP) intensity; spatial peak temporal average (SPTA) intensity; spatial peak pulse average (SPPA) intensity spatial average pulse average (SAPA) intensity károsodás nélküli tartomány besugárzási idő (s) 49 hipertermiás kezelés abszorpió hővé alakul az energia kavitáió (üregesedés) ogászat: ogkőeltávolítás (0-40 khz) rezgő émsús közvetlenül adja át a rezgési energiát a ogkőnek tisztítás: pl. estéklézer sprielő, mosógép(?) HIF- terápia (High Intensity Foussed ltrasound) az H ókuszálásával kavitáió és helyi melegedés sejtpusztító hatás sak a ókuszpontban prosztatadaganat kezelése a végbélbe helyezett orrással Tkv. IX.7. ábra Lökéshullám terápia (nem H!) ESWL (Extraorporeal Shokwave Lithotripsy) kövek non-invazív törése (vese, epe,...) kb. 0 kv-os kondenzátor víz alatti elektródapáron kisütve nyomásimpulzus keletkezik ráókuszálva a kő helyére (ellipszis, ókusz) röntgen és/vagy H egyidejű követés
Lökéshullám terápia (nem H!) ESWL (Extraorporeal Shokwave Lithotripsy) kövek non-invazív törése (vese, epe,...) kb. 0 kv-os kondenzátor víz alatti elektródapáron kisütve nyomásimpulzus keletkezik ráókuszálva a kő helyére (ellipszis, ókusz) röntgen és/vagy H egyidejű követés 53 54