Diagnosztikai ultrahang

Hasonló dokumentumok
Kiegészítő anyag (videók)

Kiegészítő anyag (videók)

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Zaj- és rezgés. Törvényszerűségek

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

vmax A részecskék mozgása Nyomás amplitúdó értelmezése (P) ULTRAHANG ULTRAHANG Dr. Bacsó Zsolt c = f λ Δt = x/c ω (=2π/T) x t d 2 kitérés sebesség

Ultrahangos anyagvizsgálati módszerek atomerőművekben

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

Hullámok, hanghullámok

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

Biofizika és orvostechnika alapjai

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

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

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

1. A hang, mint akusztikus jel

A hang fizikai tulajdonságai, ultrahang, Doppler-elv Dr. Goda Katalin 2019.

Az ultrahang reflexiója. Az ultrahang orvosi alkalmazásainak alapjai. Visszaverődés. Terápa alapja az ultrahang elnyelődése

Rezgések és hullámok

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

A hang mint mechanikai hullám

Hangintenzitás, hangnyomás

Hullámok tesztek. 3. Melyik állítás nem igaz a mechanikai hullámok körében?

Járműipari környezetérzékelés

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

Az ultrahang diagnosztika fizikai alapjai

A hang fizikai tulajdonságai, ultrahang, Doppler-elv

Anyagvizsgálati módszerek

1. Az ultrahangos diagnosztika fizikai alapjai

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Ultrahang vizsgálatok

Szent István Egyetem Fizika és folyamatirányítási Tanszék FIZIKA. rezgések egydimenziós hullám hangok fizikája. Dr. Seres István

Ultrahang és elektromos impulzusok alkalmazása

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

A fény visszaverődése

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

Periódikus mozgások Az olyan mozgást, amelyben a test ugyanazt a mozgásszakaszt folyamatosan ismételi, periodikus mozgásnak

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Hang és ultrahang. Az ultrahangos képalkotás, A-, B- és M-képek. Doppler-echo. Echo elv - képalkotás. cδt = d+d = 2d

A Brüel & Kjaer zajdiagnosztikai módszereinek elméleti alapjai és ipari alkalmazása

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Az ultrahang orvosi alkalmazásai

Időjárási radarok és produktumaik

Oszcillátorok. Párhuzamos rezgőkör L C Miért rezeg a rezgőkör?

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1. (b) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

A hőmérsékleti sugárzás

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

OPTIKA. Geometriai optika. Snellius Descartes-törvény szeptember 19. FIZIKA TÁVOKTATÁS

a) Valódi tekercs b) Kondenzátor c) Ohmos ellenállás d) RLC vegyes kapcsolása

Audiofrekvenciás jel továbbítása optikai úton

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Fizikai hangtan, fiziológiai hangtan és építészeti hangtan

1.1 Emisszió, reflexió, transzmisszió

ELEKTROMÁGNESES REZGÉSEK. a 11. B-nek

Röntgendiagnosztikai alapok

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

Összefoglaló kérdések fizikából I. Mechanika

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

A hullám frekvenciája egyenlő a hullámforrás frekvenciájával, azzal a kikötéssel, hogy a hullámforrás és megfigyelő nyugalomban van.

Mechanikai hullámok (Vázlat)

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Digitális tananyag a fizika tanításához

Hullámtan. A hullám fogalma. A hullámok osztályozása.

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

VÁLTAKOZÓ ÁRAMÚ KÖRÖK

Periódikus mozgások Az olyan mozgást, amelyben a test ugyanazt a mozgásszakaszt folyamatosan ismételi, periodikus mozgásnak

CT- és UH-vezérelt biopsiák technikája a radiológus aspektusa

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Látás. Látás. A környezet érzékelése a látható fény segítségével. A szem a fényérzékelés speciális, páros szerve (érzékszerv).

11.3. Az Achilles- ín egy olyan rugónak tekinthető, amelynek rugóállandója N/m. Mekkora erő szükséges az ín 2 mm- rel történő megnyújtásához?

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

A fény mint elektromágneses hullám és mint fényrészecske

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Fizika összefoglaló kérdések (11. évfolyam)

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

Jegyzőkönyv. hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálatáról (3)

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

A 2017/2018. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FIZIKA II. KATEGÓRIA JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ. Pohár rezonanciája

TÁVKÖZLÉSI ISMERETEK FÉNYVEZETŐS GYAKORLAT. Szakirodalomból szerkesztette: Varga József

Modern Fizika Labor. 17. Folyadékkristályok

Rezgőmozgás, lengőmozgás

5.1. ábra. Ábra a 36A-2 feladathoz

Hangterjedés szabad térben

Az ultrahang, mint fizikai jelenség; előállítása, tulajdonságai, diagnosztikai alkalmazásának fizikai alapjai

Optika fejezet felosztása

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Az ultrahangos tartályszintmérés alapjai

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Elektrotechnika. Ballagi Áron

Folyadékok és gázok áramlása

Rezgőmozgás, lengőmozgás, hullámmozgás

Sugárzásos hőtranszport

Látható hangok. Szerzık: Bodoni Eszter Albert Karola. Irányító tanár: Szász Ágota Judit. Tartalomjegyzék

A fény útjába kerülő akadályok és rések mérete. Sokkal nagyobb. összemérhető. A fény hullámhoszánál. A fény hullámhoszával

CÉLKOORDINÁTOROK alkalmazástechnikája CÉLKOORDINÁTOROK FELÉPÍTÉSI ELVE

KÖZEG. dv dt. q v. dm q m. = dt GÁZOK, GŐZÖK ÉS FOLYADÉKOK ÁRAMLÓ MENNYISÉGÉNEK MÉRÉSE MÉRNI LEHET:

Átírás:

Diagnosztikai ultrahang A diagnosztikai ultrahang (UH) berendezések azt használják ki, hogy a hang terjed az emberi testben. Kibocsátanak egy ultrahang impulzust a testbe, majd detektálják, hogy mennyi idő múlva és milyen erősségű visszhang érkezik vissza a szervek faláról történő visszaverődés miatt. Az időből kiszámolható az adott felület távolsága. HANGHULLÁMOK Infrahang < 20*Hz Emberi*hallástartomány 20*Hz* 20*kHz Ultrahang 20*kHz* néhány*száz*mhz Hyperhang Longitudinális és transzverzális hullámok közötti különbség attól függ, hogy a közeg részecskéi a terjedési irányban vagy arra merőlegesen rezegnek (A amplitudó, l hullámhossz): A!! A A hang longitudinális nyomáshullám (mechanikai hullám), tehát a nyomás változása (illetve a közeg részecskéinek mozgása) párhuzamos a terjedési iránnyal. A hang keltésekor a hangszálaink, egy hangszóró membránja vagy egy húr megrezgeti a levegőmolekulákat és ez a rezgés terjed tova. A hangot ugyanazok a paraméterek jellemzik, mint a hullámokat általában: terjedési sebesség (v), frekvencia (f), hullámhossz (l ), periódusidő (T). Az ultrahang 20 khz- nél nagyobb frekvenciájú hang. Diagnosztikában a 1-30 MHz tartományt használják. A hullámhossz meghatározza, hogy kb. milyen nagyságú részletek bonthatók fel a képen. Példa: 1 és 10 MHz- es frekvenciájú UH hullámhossza lágy szövetben illetve csontban Lágy szövet (v=1570 m/s) Csont (v=3500 m/s) 1 MHz 10 MHz 1/8

HANGSEBESSÉG ahol K a rugalmassági modulus (=összenyomással szembeni ellenállás) és r a sűrűség. A képlet alapján azokban az anyagok, amelyek kevésbé nyomhatók össze (mivel szorosabb a kölcsönhatás a részecskéik között), a hang gyorsabban terjed. Így a hang vízben gyorsabban terjed, mint levegőben és pl. fémekben gyorsabban terjed mint vízben. Vákuumban a hang nem terjed. Példa: 2000 Hz- es hangon (az emberi beszéd kb 400-10000 Hz tartományba esik) belekiabálunk a levegőbe (v = 340 m/s), a kiáltás hullámhossza 17 cm, míg ugyanezen frakvenciájú hang vízben (v=1500 m/s) már 75 cm hullámhosszú, alumíniumban (v = 6400 m/s) pedig 320 cm. Ne felejtsük el, hogy a hang terjedési sebessége nem függ a frekvenciától, csak a közeg anyagi tulajdonságaitól. ENERGIA A hang által egységnyi felületen át egységnyi idő alatt szállított energia (I, intenzitás) ahol P a hang által szállított teljesítmény egy adott A felületre. Értéke nem a frekvenciától vagy a hullámhossztól, hanem az amplitúdótól függ. 1 khz esete n az emberi fu l ma r I 0 = 10-12 W/m 2 intenzita st is e rze kel. Ezt nevezzu k az emberi fu l küszöbintenzitása nak. A maxima lis, me g elviselheto hangintenzita s: I max = 10 W/m 2 Az intenzitás a távolság négyzetével fordított arányban csökken (~ 1/r 2 ) VISSZHANG Az ultrahang berendezés a testen belüli felületekről visszaverődött hullámot (echo) detektálja. Az, hogy a hang hányadrésze verődik vissza, az akusztikus impedanciától (z) függ: z = ρv ahol r a sűrűség és v a terjedési sebesség. Mértékegysége kg/m 2 s = rayl Az akusztikus impedancia megmutatja, hogy mennyire áll ellen a közeg annak, hogy a részecskéit mozgásba hozzuk (akusztikus ellenállás ). A hang határfelületekről verődik vissza. A visszaverődő hányad a reflektivitás (R): 2/8

A hang annál nagyobb hányada verődik vissza, minél nagyobb a különbség két közeg akusztikus impedanciájában. Anyag Hangsebesség (m/s) Akusztikus impedancia (rayl) levegő 344 400 zsír 1440 1 300 000 víz 1500 1 500 000 izom 1570 1 650 000 csont 3500 7 800 000 A táblázatból látható, hogy a levegő akusztikus impedanciája gyakorlatilag elhanyagolható bármely szövet akusztikus impedanciája mellett, tehát R» 1. Ilyenkor teljes visszaverődés történik, a sugárzás nem jut túl a határfelületen függetlenül attól, hogy a hang a levegőből lép szövetbe vagy fordítva. Ezért szükséges, hogy az UH detektor és a testszövet között csatoló közeg (gél) helyezkedjen el. Számítsuk ki egy hanghullám hány százaléka verődik vissza zsír és víz határáról: = z víz z zsír I teljes z víz + z zsír I visszavert Tehát 051% visszaverődik, azaz 99,5% áthalad. Ez a kis visszaverődés elegendő a detektáláshoz, és jó, hogy továbbmegy, mert visszaverődhet távolabbi felületekről. Impulzus- visszhang elv 2 1500000 1300000 = 1500000 + 1300000 A műszer a visszaverő felületek távolságát (d) a visszhang visszatérési ideje alapján méri: 2 = 0,0051 = 0,51% d = v T 2, ahol v a hang sebessége a lágy szövetekben (ez a műszerben rögzített érték, ezért ha más közegben mérünk, a leolvasott értékek hibásak lesznek, ld. glicerinnel és metanollal töltött kád gyakorlaton), T pedig a hang visszatérési ideje (az oda- vissza út miatt kell a felével számolnunk). ULTRAHANG KELTÉSE ÉS DETEKTÁLÁSA UH előállításához piezoelektromos tulajdonsággal rendelkező kristályokat (pl. Kvarc, SiO 2) vagy kerámialapkát (pl PZT: ólom- cirkonát- titanát) alkalmaznak. 3/8

Nyugalmi állapotban a kvarc vagy kerámia molekulaszerkezetében a pozitív és negatív töltések súlypontja egymásba esik, tehát kifelé semleges hatást mutat. Mechanikai nyomás hatására a kristályokban a pozitív és negatív töltések szétválása révén megszűnik kifelé a semlegesség, a felületen töltések jelennek meg, mérhető elektromos feszültség keletkezik. Ez a direkt piezoelektromos hatás. Ultrahang detektálására használható: a visszaverődő ultrahang eléri és rezgésbe hozza a kristályt, amelyen mérhető váltófeszültség keletkezik. Inverz (visszafele irányú) piezoelektromos hatás, amikor elektromos feszültség hatására nyomás/alakváltozás figyelhető meg, a kristály vastagsága megváltozik, (periodikusan összehúzódik és tágul). Ultrahang keltésére használható: a kristályra váltófeszültséget kapcsolnak, amelynek frekvenciája egyenlő az UH frekvenciájával, így a kristály ilyen frekvenciával rezgésben jön, ami hangként terjed tova. A legjobb hatásfokú átalakítás feltétele, hogy a lapka sajátfrekvenciája és az alkalmazott gerjesztő feszültség frekvenciája megegyezzen, ekkor rezonancia lép fel. Ilyenkor a lapka vastagsága megegyezik a létrehozni kívánt UH hullámhosszának a felével. Minél magasabb frekvenciájú ultrahangokat szeretnénk kelteni, annál vékonyabb lapkákra van szükség. Az ultrahangot keltő és detektáló rész a transzducer: egyszerre hangszóró és mikrofon. 4/8

Illesztő réteg: védelmi funkcióval rendelkezik. Vastagsága úgy van megtervezve, hogy az illesztőréteg belső határáról visszaverődő hullám és az eredeti hullám fázisban legyenek. Tompító egység: cél, hogy ebbe az irányban az ultrahang minél jobban elnyelődjön. A fent leírt meggondolás alapján anyaga kisebb impedanciájú, mint az aktív egység impedanciája, tehát nagy az UH- abszorpcióképessége. ULTRAHANG IMPULZUSOK Az UH- diagnosztikai eljárásoknál nem folyamatos a sugárzás, hanem rövid impulzusokat bocsátunk a szövetbe. Egy ilyen impulzuscsomag 2-4 periódust tartalmaz. Két egymást követő impulzus távolsága elegendő idő arra, hogy a testből visszatérő impulzust detektáljuk, mielőtt a következő impulzus elindul. A szövetben történő terjedési sebesség és reflektáló felületek távolságából adódik, hogy ez a ms- os tartományba esik. SZKENNEREK FELÉPÍTÉSE, AZ ULTRAHANG FÓKUSZÁLÁSA 2D kép felvételéhez a transzducer különböző irányokba egymás után küld ki egy- egy nyalábot, azaz lepásztáz egy síkot. Egy scan ideje kb. 1 ms. A transzducerben található szkennerek nagyszámú (pl. 512) lapkából vagy kristályból álló lineáris vagy íves átalakító- sorok. Fókuszálás: egyszerre 5-10 lapka sugároz, a központi elemhez képest a széli elemek korábban, így kialakul egy összetartó hullámfront, amely a fókuszpontban egyesül. A késleltetési idők szabályozásával állítható be a fókuszpont mélysége. 5/8

Ábrázolás: a képet leggyakrabban B (brightness)- módban ábrázolják, ahol a képen a kiszámolt távolságnak megfelelő helyen láthatóak a visszaverő felületek, és annál világosabb egy pont, minél nagyobb a visszaverődött hang intenzitása. A kétdimenziós B- kép felfogható egydimenziós B- képek sorozataként, egy kiválasztott síkban különböző irányokban egydimenziós B- képeket detektálunk. CSILLAPÍTÁS Az ultrahang elnyelődése során az intenzitáscsökkenést exponenciális függvény írja le (vegyük észre a matematikai hasonlóságot a fényabszorpció vagy a radioaktív bomlás törvényével): I = I kezdeti e µx. A felező rétegvastagság (x 1/2), a kezdeti intenzitás a feléhez (I kezdeti/2) tartozó rétegvastagság, fordítottan arányos a frekvenciával, ezért nagyobb frekvenciák esetén gyorsabb a lecsengés (kisebb a mélységi behatolás), bár a kisebb hullámhossz miatt nagyobb a felbontás. Lágy szövetekre vonatkozó példák: f (MHz) l (mm) x 1/2 (cm) 1 1,54 6 5 0,31 1,2 10 0,154 0,6 6/8

FELBONTÁS Feloldási határ: két pont közötti legkisebb távolság, amikor a két pontot még különállóknak detektáljuk. A felbontóképesség ennek az értéknek a reciproka. Minél nagyobb a felbontóképesség (minél kisebb a feloldási határ), annál jobb, részletgazdagabb képet kapunk. Sugárirányú (axiális): az impulzushossztól függ (gyakorlatban a hullámhossz kb. másfélszerese, 3 MHz esetén kb. 0,75 mm) Oldalirányú (laterális): gyakorlatilag azonos a nyalábátmérővel, fókuszban jobb ÖSSZEFOGLALVA Ha a frekvencia nagyobb, akkor a hullámhossz kisebb, a felbontóképesség ugyan jobb, DE! a csillapodás a szövetben erősebb ( kevésbé mélyre látok ). Ha a frekvencia kisebb, akkor a hullámhossz nagyobb, a felbontóképesség rosszabb, DE! a csillapodás a szövetben gyengébb ( mélyebbre látok ). MŰTERMÉKEK, KÉPALKOTÁSI HIBÁK Két erősen visszaverő felületről az ultrahang többször oda- vissza verődhet, többszörös reflexiót hozva létre a képen. A törés miatt egy határfelület mögött található visszaverő tárgy a valódihoz képest más irány alatt látszik. Hibásan kalibrált hangsebesség esetén a tárgy képe megnyúlik vagy zsugorodik (ld. glicerinnel vagy metanollal töltött doboz a gyakorlaton) DOPPLER ECHOKARDIOGRÁFIA Doppler eltolódás: a hang frekvenciája megnő vagy lecsökken, ha a hangforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozognak: 7/8

ahol f az észlelt frekvencia, f a forrás frekvenciája, v a relatív sebesség a hangforrás és a megfigyelő között, v hang pedig a hangsebesség. (+) az előjel az egyenletben, ha a hangforrás és a megfigyelő közeledik egymáshoz, (- ) az előjel, ha a hangforrás és a megfigyelő távolodik egymástól. Tehát közeledéskor a valósnál magasabb frekvenciát érzékelünk, távolodáskor pedig alacsonyabbat. A vörösvértestek szórócentrumok Nem diszperz folyadékban (víz) nincs visszaverődés, de a vér a sejtes elemek miatt diszperz, azok szórják a hangot. A vérben található vörösvértestekről való visszaverődéskor az ultrahang frekvenciája kétszer szenved eltolódást: 1) a mozgó vvt- k mozgó megfigyelőként eltolódott frekvenciát érzékelnek (f 0 f 1), majd 2) mozgó forrásokként viselkednek, és eltolják a visszhang frekvenciáját (f 1 f 2). A teljes eltolódás: Δf = f 2 f 0 = 2 f 0 v v hang cosθ ahol q az UH nyaláb és a véráram tengelye által bezárt szög. Áramlási érdoppler (Doppler eltolódás a hallható tartományban) A mérés lényege, hogy egy pl. 8000 khz- es frekvenciájú UH hullám a vér alakos elemein való szóródás után a transzducerbe pl 8001 khz frekvenciával térnek vissza. A két jel közötti különbség 1 khz, ez a Dopple- jel. A jelenséget lebegésnek hívjuk. Mivel a Doppler- jel a hallható tartományba esik (míg a kibocsájtott és szóródott hullámok nem oda esnek), egy hangszóróval hallhatóvá tehető.. 8/8