5/3/2012

1

Kiegészítő anyag (videók)

Ruben-féle cső (Ruben’s tube):Ruben féle cső (Ruben s tube):http://www.youtube.com/watch?v=gpCquUWqaYw

Doppler UH (diagnosztikai cél):http://www.youtube.com/watch?v=FGXZG-j_Hfwhttp://www.youtube.com/watch?v=UpsmEnYOju8

Nagy intenzitású, fókuszált UH (terápiás használat):http://wn.com/High-intensity_focused_ultrasoundhttp://www.youtube.com/watch?v=f6vqqHD8Vh0http://www.youtube.com/watch?v=unDJVQI2cuM& HIUS

UltrahangFizika Biofizika II félév

Orbán József

PTE ÁOK

Biofizikai Intézet

Fizika‐Biofizika II. félév

Biofizikai Intézet

2012. április

Képek forrása: www.robaid.com/bionics/bat-biosonar-biomimicry-for-improved-sonar-technology.htm

5/3/2012

2

? ! ?

Hogyan mérhetünk hanggal távolságot/mélységet?

Mi határozza meg az UH felvételen egy adott pont fényességét?

Ultrahang készülék

Képek forrása: http://e-discountmedical.com/wordpress/?page_id=129https://www.eemedicals.com/ultrasound-c-50.html?page=3&alpha_filter_id=71&sort=3a

5/3/2012

3

Color doppler:Transzducer felé: meleg színTranszducertől el: hideg szín

Kisebb sebesség: sötétebb színKisebb sebesség: sötétebb színNagyobb sebesség: világosabb szín

Köldökzsinór erek

Doppler

http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/lectures/spectroscopy.htm

„A vonatfütty hangjának ‘hajlása’ az egyik jele annak, hogy a vonat nem ütött el minket."

5/3/2012

4

Ultrahang - érdopplerÁramlási érdoppler

0 0

'2 cos

UH

vf f f f

v

f0 = 8 MHz

f = 7,994 MHz

∆f = 5,4 kHz

Hangszóró

v’vUHf0

fBőr

Ér

Θ∆f

Transducer

0

' 751540

458

UH

v cm sv m s

f MHz

' f= reflektált UH frekvenciája

Ultrahang - Doppler

Doppler ultrahang: Mozgó felületről reflektált UH frekvenciája különbözik azeredeti frekvenciától.

1842: Christian Doppler

0

'1

UH

vf f

v

0' UHv f f

f0= eredeti frekvenciavUH= UH terjedési sebessége a közegbenv'= reflektáló felület sebességének az UH terjedésirányába eső komponense

v'= vér áramlási sebességevUH = UH terjedési sebessége a közegben

A vizsgálat folytonos UH sugárzással történik: Doppler eltolódás: f - f0

0'2 cos

UHvf

Alkalmazások:1. Doppler echocardiográfia

2. Érdoppler, áramlásvizsgálat

3. Magzati szívhang vizsgálata

vUH UH terjedési sebessége a közegbenf-f0= Doppler eltolódás= az UH nyaláb és a véráram tengelye által bezárt szög

5/3/2012

5

Ultrahang – Doppler echocardiográfiaSzinkódolt Doppler echocardiográfia

BK

BP

JK

JP

Ao

Aorta insuffitientia

A hang

20 Hz 20 kHz

infra hallható u l t r a

Hanghullám: longitudinálismechanikai hullám! (rezgés)

20 MHz2 MHz UH diagnosztikaitartomány

0 Hz f (Hz)

infra hallható u l t r a

tüdőtüdő epekő csontcsont

1000 2000 700030000 4000 5000 6000

v (m/s)üveg/fém

1400 1500 1600 1700

• tovaterjedéshez kell egy rugalmas közeg (rezgésbe jött részecskék): levegő, gáz, folyadék, szilárd,

DE! vákumban nem

zsírzsír víz vérvér

5/3/2012

6

2D B-kép

Egydimenziós B‐képek sorozata.

A kiválasztott felület végigpásztázása egydimenziós echoméréssel(tomográfia).

3D rekonstrukció2D‐metszeti B‐képek sorozata

Számítógépes algoritmusok: műtermékek kiszűrése, jobbmegjelenítés

Műtermékek:

megjelenítés

• Két erősen reflektáló felületről az UH 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, vagyzsugorodik (ld.: a metanollal vagy glicerinnel töltött dobozok hossza)

5/3/2012

7

Transzducer = jelátalakító

külső burkolat tompító egység

egyik polaritás kábel

táp/adatkábel

elektródák,MHz-esváltófeszültség

piezoelektromos kristály λ/2kábel

másik polaritás kábel

kristály, λ/2

akusztikaiszigetelő műanyag ‘orr’

Kép forrása: http://www.genesis.net.au/~ajs/projects/medical_physics/ultrasound/index.html

Az UH keletkezése: inverz piezoelektromos hatás

Piezoelektromos kristály: • természetes kristály (pl : kvarc)

――• természetes kristály (pl.: kvarc) • mesterséges kristály (kerámialapka, pl.: PZT: ólom‐cirkonát‐titanát)

Direkt piezoelektromos jelenség(mechanikai deformációtöltésszétválasztásfeszültség)

+

――――+

+

Inverz piezoelektromos jelenség(váltakozó feszültségtöltésszétválasztásmechanikaideformáció UH)legjobb válasz: rezonancia frekvencián

―+

――――+

+――++

5/3/2012

8

UH impulzusok

Impulzus ismétlés:

k1 ms «» 1 kHz

μs

(ultra) hang terjedése közegben

v= 1500 m/s, vízben

Impulzus-visszhang elv (Pulse-echo principle)

Reflexió az első határfelületről.

Terjedési idő t 2d/

UH forrás

Mit látunk a képernyőn?

Az UH készülék az impulzus-echo idejét méri! Majd vízbeli

Terjedési idő: t= 2d/v terjedési sebességgel számol.

5/3/2012

9

(ultra) hang terjedése közegben

Vlevegő = 330 m/sVvíz = 1550 m/sVvas = 5100 m/s

Víz

Levegőben gyengülő jel csillapodás abszorpció

UH forrás f = 2000 Hz

λlevegő = 16.55 cmλvíz = 77.5 cmλvas = 2.55 m

Víz

Vas

Levegő

csillapodás, abszorpció

Reflexió a határfelületen.Csillapodás a 2. közegben.

I0 = Ireflektált+Ielnyelt

v1< v2, ρ ~ v??? Mi történik a második határfelületnél ???

Ultrahang tomográfia - alapok

CT image

falciform ligament FL lienorenal ligament LR gastrolienal ligament GL lesser omentum LO

Miért nem használunk UH‐otteljes testmetszethez?

http://www.radiologyinfo.org/en/photocat/gallery3.cfm?image=00276077_appy_ap.jpg&pg=bodycthttp://home.comcast.net/~wnor/abdominalcavity.htm

5/3/2012

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).

Tipikus készülékek:A(x) A ex8 MHz: felszíni erek

4 MHz: mély erek

2 MHz: szülészeti UH

A= amplitúdó= abszorpciós együtthatóx= távolság (rétegvastagság)

A(x) A0e

Ultrahang

T = 1-RR (reflektált)

2

1 2z zR

3. Visszaverődés

Ahhoz hogy a d axiális

4. Tengelyirányú (axiális) feloldóképesség

z1=v1*ρ1

R (reflektált)

1 2

Rz z

z2=v2*ρ2

z: akusztikus impedancia

tw d

Ahhoz, hogy a d axiálistávolságot feloldjuk: vtw 2d

Adott frekvencia esetében az axiális feloldás javul Q csökkenésével.Adott Q esetében az axiális feloldás javul a frekvencia növelésével.

5/3/2012

11

FeloldóképességFeloldási határ: két pont közötti távolság, amelyeket UH segítségével mégkülönálló pontoknak detektálunkFelbontóképesség: a feloldási határ reciprokap g p

Sugárirányú (axiális) feloldási határ: mélységi elmosódottság

Minél nagyobb f, annál rövidebb az UH impulzus, annál tisztább képet ad.

A szöveti abszorpció f növekedésévelőnő.

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 szélességétalapvetően az ultrahangpulzustkibocsátó kristály mérete és azultrahangnyaláb fókuszáltságabefolyásolja.

A legjobb felbontóképességet abban a mélységben kapjuk, ahol azultrahangnyaláb a leginkább fókuszált, illetve legkeskenyebb.

5/3/2012

12

Fókuszálás

1. Fix fókusz pl. akusztikus lencsék

Erősen fókuszált transzducereket alkalmaznak a szöveti roncsolásra, ahol lokálisan igen nagy ultrahang intenzitás – hőhatás jön létre.

Fókuszálás2. Elektronikus fókuszálás

Különbözőmélységekbe állítható a

Elektromos jelek

Különbözőmélységekbe állítható a fókuszsík. DINAMIKUS FÓKUSZÁLÁS

Transzducerek előtt késleltetők (zone focusing)

A nyaláb divergenciája a fókuszsíkmögött is mérsékelt, így nagy a él é él é

transzducerek

mélységélesség.

Detektáláskor: echojel előbb éri el a középső transzducert, majd a mögéépített késleltető tagok miatt azonosfázisban találkoznak.

5/3/2012

13

Pásztázás(mindig fókuszált nyalábbal)

1. Mechanikus: • egyetlen piezoel kristályegyetlen piezoel. kristály• Szektor szkennelés

Elavult!

2. Elektronikus: Transducer arraylinear arraycurved array

• Egymás mellett sok (pl. 512) kerámialapka

• 1D képvonalak• Eltolódás a következő elemre

Ultrahang - üzemmódokUltrahang üzemmódok:

A-mód (Amplitude): visszhang,

mint feszültségimpulzus jelenik meg

tá l á é é– távolságmérés

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!

5/3/2012

14

Ultrahang - üzemmódokM-mód (time Motion):1 metszeti vonal mentén történő periódikus mozgás időbeliségénekábrázolása (pl. echokardiográfia)

X-tengelyen: időY-tengelyen: 1D B-módú kép (vonal)

BP

Mitralis stenosis

BP

BK

septum

idő

sys dias sys dias

Az UH egyéb felhasználási területei

• Hatására a finom szemcséjű porok összeállnak, pl.: portalanítás gyárakban, ködmentesítés repterekenportalanítás gyárakban, 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 fertőtlenítésrealkalmas

5/3/2012

15

Egyéb felhasználás

http://spinoff.nasa.gov/Spinoff2008/hm_8.htmlhttp://sonohouse.co.kr/products.htmhttp://www.diytrade.com/china/pd/9262342/Dental_Handpiece.htmlhttp://www.omni-inc.com/omni-sonic-ruptor-400-ultrasonic-homogenizer-p-45.html

UH terápiás alkalmazásacsillapítás

dB/cm %/cmvér 0,12 1,3zsír 0,61 3

A csillapodás oka az UH abszorpciója.Az elnyelt rezgés energiának lehet- Hőhatása (részecske rezgés nő)- Nem termális hatása (kavitáció, sejtmembrán permeabilitás változás)

izom 1,2 24bőr 2,7 39

csont 13,9 96

Tipikus készülékek:

8 MHz: felszíni erek

4 MHz: mély erek

2 MHz: szülészeti UHpermeabilitás változás)

Kavitáció(üregképződés; cavum = üreg): molekulák közötti kohéziós erők leküzdésekorkeletkező, rövid élettartamú üregek.

Mikromasszázsszövetek rezgésbe jönnek eltérő frekvenciával, belső surlódás, endogén hőképződés (Fizikoterápia)

2 MHz: szülészeti UH