Fizikalne osnove ultrazvoka

Comments

Transcription

Fizikalne osnove ultrazvoka
Listen and you’ll see!



Bowers&Wilkins



MT, 2014



MT, 2014



MT, 2014



MT, 2014



MT, 2014
Zvok



• Mehanično longitudinalno valovanje,
ki se širi po medijih.
MT, 2014
• Zgostitve in razredčitve
(večja tlak in gostota, manjša tlak in gostota).



MT, 2014
Zgostitev



Razredčitev
Širjenje zvoka
Ciklus
Valovna dolžina - λ
MT, 2013
Valovna enačba



• frekvenca (f) – število ciklusov v eni
sekundi,
• valovna dolžina (λ) – dolžina enega ciklusa
v prostoru,
• hitrost širjenja (c) je produkt frekvence in
valovne dolžine:
c(m/s) = λ(m) x f(s-1)
MT, 2014
Ultrazvok
• Zvok s frekvenco > 20 kHz
(↑frekvenca:↓valovna dolžina).



• Lahko ga usmerimo v snop.
MT, 2014
Širjenje zvoka



• hitrost zvoka je odvisna od medija;
• med širjenjem zvoka po mediju prihaja do
interakcij;
• interakcije so odvisne od tipa medija:
– homogeni mediji (zrak, voda),
– heterogeni mediji (tkiva);
• lastnosti medija določa akustična
impedanca.
MT, 2014
Hitrost zvoka
• ↑hitrost : ↓gostota, ↑togost , ↑temperatura;
• plini < tekočine < trdne snovi.



kost
kri
maščoba
ledvica
jetra
mehka tkiva
zrak (pljuča)
4080 m/s
1570 m/s
1450 m/s
1560 m/s
1550 m/s
1540 m/s
330 m/s
MT, 2014
Akustična impedanca
• določa:



– absorpcijo zvoka,
– odboje zvoka na stikih medijev.
• Akustična impedanca (rayl) = gostota
medija (kg/m3) x hitrost zvoka v mediju
(m/s).
• ↑impedanca: ↑gostota, ↑togost.
MT, 2014
Akustična impedanca



kost
kri
maščoba
ledvica
jetra
mehka tkiva
zrak
Hitrost
(m/s)
4080
1570
1450
1560
1550
1540
330
Impedanca
(rayl)
7,8
1,61
1,38
1,62
1,65
1,63
0,0004
MT, 2014
Homogeni
medij



• atenuacija
Heterogeni
medij
•
•
•
•
atenuacija,
odboj in lom,
razpršitev,
nastajanje
harmoničnih frekvenc.
MT, 2014
Atenuacija



•
•
•
•
jakost zvoka se z globino zmanjšuje;
energija se pretvarja v notranjo energijo.
↑atenuacija: heterogeni mediji
↑atenuacija: ↑frekvenca
MT, 2014
Odboj



• na ravnem stiku dveh medijev z
različnima impedancama;
• ↑razlika v impedanci: ↑odboj;
• stik zrak|tkivo – popolni odboj;
• smer odboja odvisna od vpadnega
kota.
MT, 2014
Razpršitev



•
•
•
•
na neravnem stiku dveh medijev,
na majhnih stikih (> λ/4),
v heterogenih medijih (tkiva, kri).
“Odboj” v vse smeri, ni odvisen od
vpadnega kota - “backscatter”,
• jakost manjša kot pri odboju,
• ↑frekvenca: ↑”backscatter”.
MT, 2014
Lom



• Ob nepopolnem odboju
se zvok širi dalje;
• prihaja do loma na stiku
medijev;
• lomni kot odvisen od
hitrosti zvoka v obeh
medijih.
MT, 2014
Harmonične frekvence



– nelinearno širjenje valovanja,
– stisljivost medija s spreminjanjem hitrosti
širjenja (stisnjen medij: ↑tog: ↑hitrost),
– spreminjanje oblike vala in nastanek
harmoničnih frekvenc
(=mnogokratniki osnovne frekvence).
MT, 2014



MT, 2014
Harmonične frekvence



• Nastajajo v tkivih ob širjenju izvornega vala
→ jakost narašča z globino.
MT, 2014
Objekt v gibanju



• Sprememba frekvence
zaradi gibanja.
• Dopplerjev premik –
razlika med oddano in
prejeto frekvenco.
MT, 2014
Doplerjev efekt



• Kot UZ snopa glede na smer gibanja.
• fD = fe – f0 = (2f0 x v x cos Ф)/c
• v (cm/s) = 77 x fD (kHz)/f0 (MHz) x cos Ф
MT, 2014
Pot v tkivih
Koža



Širjenje
Odboj
MT, 2014
Pot v tkivih
Lom
Koža



Mišice
Pljuča
Širjenje
Odboj
Razpršitev
Harmonično
valovanje
MT, 2014
Pot v tkivih
Lom
Lom
Koža



Mišice
Lom
Srce
Kri
Širjenje
Odboj
Razpršitev
Harmonično
valovanje
MT, 2014
Biološki učinki UZ



•
•
•
•
•
•
Odvisni od jakosti UZ.
Intenziteta: energija v času na površino.
J/s*m2 = W/m2.
Prostorski/časovni povpreček/maksimum,
S A T P , SATA, SPTA;
Različni načini!
pace
verage
emporal
eak
(2D < pulzni doppler < kontinuirani doppler)
MT, 2014
Biološki učinki UZ
• Segrevanje:



– absorpcija v tkivih (pretvorba energije),
– ↑frekvenca → ↑temperatura,
– TEE, kosti pri fetalnem UZ.
• Kavitacija:
– tkiva preveč viskozna,
– mehurčki kontrastov (oscilacija, kolaps).
MT, 2014



MT, 2014