izr. prof. dr. Igor Serša

Transcription

Ultrazvočno valovanje
Ultrazvok
• Ultrazvok (UZ) je valovanje s frekvenco, ki presega
zgornjo mejo človeškega sluha. Čeprav je ta meja
različna od človeka do človeka, je približno 20 kHz
pri zdravih mladih odraslih.
• Ultrazvok se uporablja v mnogih različnih področjih: medicini,
raziskavah materialov, merjenje razdalj in hitrosti …
• Usmerjen curek UZ valovanja prodre v snov in se pri potovanju skozi
snov odbija na mestih sprememb akustične impedance. Odbito UZ
valovanje nosi informacijo o notranji zgradbi snovi. Odboji UZ
valovanja omogoča tudi slikanje z UZ.
• UZ valovanje uporabljajo tudi nekatere živali za lov (netopirji)
Zgodovina ultrazvoka
• 1880
• 1914
• 1928
• 1940
odkritje piezoelektričnega efekta
(Pierre in Jacques Curie)
odkrivanje podmornic s SOANR-jem
uporaba ultrazvoka za iskanje
defektov v materialih (Sokolov)
začetki medicinske uporabe
ultrazvoka (prenos znanja iz
SONAR-ja)
Zgodovina ultrazvoka
Primer ultrazvočne slike
Slika zarodka
Ultrazvočna preiskava
Zgoščina (motnja)
UZ
oddajnik
Potovanje
zgoščine
po udarcu
t
ct
Sinusno
vzbujanje
frekvence
Q
O valovna dolžina
c = OQ
Lom in popolni odboj UZ
Uklon valovanja
c1 , O
D
c1 , O
ovira
D
D
c2 , O
E
sin D
sin E
c1
c2
c2 , O
c1 c2
sin D m
c1
c2
(E
90q)
D!Dmpopolni odboj
Hitrost valovanja
c
c
c
c
F
m/l
E
hitrost transverzalnega valovanja po napeti vrvi
hitrost longitudinalnega valovanja v trdni snovi
U
1
FS U
hitrost longitudinalnega valovanja v kapljevinah
Np
U
hitrost longitudinalnega valovanja v plinih
Majhna valovna
dolžina- šibek uklon
Velika valovna dolžinamočan uklon
Zaradi pojava uklona lahko natančno upodabljamo le predmete
katerih velikost je bistveno večja od valovne dolžine
Potreba po visoki frekvenci UZ
Povprečna hitrost zvoka v
mehkih tkivih je 1540 m/s,
če želimo upodabljati
predmete z ločljivostjo 1mm
mora biti frekvenca UZ vsaj
Q
c
O
1540 m
1.5 MHz
0.001 sm
Medicinski UZ deluje s
frekvencami od 1-30 MHz
Pojemanje UZ
Pojemanje UZ
Ultrazvok
j
1
c UZ 2 s0 2
2
1 (G p0 ) 2
2 cU
Gostota energijskega toka zvoka [W/m2]
sipanje
vmesnik
atenuacija > dB @ 10 log( j / j0 )
1 dB
akustična
impedanca
absorpcija
transmisija
j ( x)
j
j
j0101/10
j010D x /10 ; D > dB / cm @
atenuacija > dB @ 20 log( s0 ( x) / s0 )
atenuacija > dB @ 20 log(G p0 ( x) / G p0 )
refleksija
Pojemanje UZ
Snov
D [dB/cm] (1MHz)
Mišice (vzdolž vlaken)
1.2
Mišice (prečno na vlakna)
3.3
Maščoba
0.6
Kosti
20
Pljuča
40
Kri
0.18
Voda
0.022
Jetra
0.9
Možgani
0.85
Atenuacija narašča približno sorazmerno s frekvenco
Atenuacija je funkcija frekvecne
x
Odboj UZ
Ppriporočene mejne jakosti UZ
Preiskava
j [mW/cm2]
Srce
430
Periferno žilje
720
Oftalmološka
17
Trebušna votlina
94
zarodek
94
vpadno valovanje
j
prepuščeno valovanje
Dt j
Dr j
odbito valovanje
Tabela navaja vrednosti, ki jih priporoča FDA
refleksija
Dr
transmisija
Dt
Doslej ni znanih potrjenih primerov škodljivsoti UZ
preiskave pri navedenih mejnih vrednostih UZ jakosti.
§ z2 z1 ·
¨
¸
© z2 z1 ¹
4 z1 z2
z2 z1 2
2
z
Uc
akustična impedanca
D r Dt 1
Dopplerjev pojav
Akustična impedanca
Zvočilo miruje
sprejemnik se giblje
Snov
Uc [kg m-2 s-1]
Zrak
0.0004
Voda
1.5
Maščoba
1.38
Medenina
38
Kosti (lobanja)
6.1
Kri
1.61
Mišice
1.7
Jetra
1.62
c
Možgani
1.55
Q
Atenuacija narašča približno sorazmerno s frekvenco
meja
Zvočilo se giblje
sprejemnik miruje
v
c/Q’ v/Q’
O
O
c
v
Q' Q'
§ v·
§ v·
Q ' Q ¨1 ¸ ; Q ' Q ¨1 ¸
c
©
¹
© c¹
v
približuje
oddaljuje
v/Q
O
O' O
Q'
Q
1
v
Q
v
c

; Q'
O’
c
c
v
Q' Q Q
Q
1
v
c
Merjenje hitrosti
Q
Merjenje hitrosti
v
Q’’
Q’’
Q
v ·½
Q ' Q ¨1 ¸ °
c
Q ''
v
1
¹°
c | Q §1 2v ·
¾ Q '' Q
¨
¸
v
c ¹
©
°
1
c
°
¿
Q'
1
v
c
Q u 1/ tu Q ''Q
eritrociti
+
Q’’
2Q v / c
tu
frekvenca utripanja
)V
Qu
2 Q cos T
Sv
v
·½
v cos T
¸°
1
¹°
§ 2v cos T ·
c
| Q ¨1 ¾ Q '' Q
¸
v
cos
T
c
©
¹
°
1
c
°
¿
2Q v cos T / c
frekvenca utripanja
Ultrazvočni pretvornik
• Če poznamo frekvenco utripanja, osnovno
frekvenco, hitrost UZ (1540 m/s), kot med osjo
pretvornika in žile ter poznamo prečni presek
žile lahko ocenimo volumski tok skozi žilo
c
v cos T
c
Q'
Q ''
v cos T
1
c
§
©
Q ' Q ¨1 Q u 1/ tu Q ''Q
Merjenje hitrosti
v
T
v
eritrociti
§
©
Q
S
• Ultrazvočni pretvornik pretvarja eno obliko
energije v drugo:
– Naprej, v fazi oddajanja, električno napetost v pulz
ultrazvočnega valovanja
– Kasneje, v fazi sprejemanja, ultrazvok v električno
napetost
• Ultrazvočni pretvorniki so narejeni iz enega
(1D ultrazvok) ali več (slikanje) piezo
elementov
Piezoelektrični efekt
• Pri določenih kristalih se pri tlačni obremenitvi
pojavi napetost med ploskvama kristala.
• Velja tudi obratno, napetost na ploskvah
takega kristala povzroči njegovo deformacijo
(skrčenje ali raztezek)
• Pri mnogih kristalih je piezoelekričen efekt
prisoten pri nizkih temperaturah (Curiejeva
točka je nižja od sobne temperature) ->
neuporabni za UZ
Učinkovitost pretvornika
kc2
mehanska energija pretvorjena v električno energijo
dovedena mehanska energija
kc2
električna energija pretvorjena v mehansko energijo
dovedena električna energija
Snov
kc
Curiejeva točka
[°C]
kvarc
0.11
550
Barijev titanat
0.3
120
PZT-4
0.7
328
PZT-5
0.7
365
PZT
Pretvorniki so večinoma umetno narejeni keramični feroelektriki
Frekvenčna karakteristika pretvornika
• Resonančna frekvenca piezo kristala (valovna
dolžina je enaka dvojni debelini kristala)
c
O
c
2d
Na primer 1.5 mm debel kvarčni kristal ima
resonančno frekvenco pri 5740 m/s / (2 * 0.0015
m) = 1.9 MHz.
Piezokristal (PZT)
Piezo kristal ima na obeh ploščah
elektrodi in na zunanji še O/4
“matching layer” ploščo, ki omogoča
učinkovit prenos UZ energije na
pacienta
občutljivost
Q
Q
Q2
Q 3 Q 1
večje dušenje
manjše dušenje
Q Q Q
Q
Sklopitveni medij
Ultrazvočni žarki
• Pri prenosu UZ med pretvornikom in vzocem
bodo izgube najmanjše, ko uporabimo
sklopitveni medij (gel) z akustično impedanco
Z sklopitvni medij
Veliko
majhnih UZ
pretvornikov,
ki nihajo
sočasno
Majhen UZ
pretvornik
Z pretvornik Zvzorec
Velik UZ
pretvornik
Usmerjeno valovanje,
številne interference
Bližnja in daljna cona
T
T
D fresnel
r
Fraunhoferjeva
(daljna) cona
2
O
sin T
0.6
O
r
Pri 2 MHz
Fresnelova (bližnja) cona
5 mm pretvornik
Bližnja in daljna cona
Frekvenca
[MHZ]
Valovna
dolžina [cm]
Fresnelova
cona [cm]
Fraunhoferjeva
divergenca [°]
0.5
0.3
0.82
21.5
1.0
0.15
1.63
10.5
2.0
0.075
3.25
5.2
4.0
0.0325
6.50
2.3
8.0
0.0163
13.0
1.1
Premer pretvornika
[cm]
Fresnelova cona
[cm]
Fraunhoferjeva
divergenca [°]
0.25
0.83
10.6
0.5
3.33
5.3
1.0
13.33
2.6
2.0
53.33
1.3
Pretvorniki z goriščno točko
• Vbočena oblika UZ pretvornika
f
r
c
1 m
cl
Večelementni pretvorniki
• Elemente lahko prožimo s fazno zakasnitvijo in tako
spreminjamo smer žarkov
• S časovno zakasnitvijo lahko dosežemo fokusiranje žarka
plankonkavna leča
• Uporaba UZ leč
“Phased array technology”
Tipično 60-240 elementov v liniji
Linearni niz pretvornikov
Dinamično usmerjanje UZ
Dinamično fokusiranje UZ
•
•
•
Zvok je usmerjen bodisi z obliko senzorjev, objektivom pred pretvornikom, ali pa
kompleksnim nadzorom nad pulzi v nizu UZ oddajnikov v pretvorniku, ki omogočajo
oblikovanje UZ snopa, ki se potuje v telo in se fokusira v želen globini.
Pretvorniki starejše tehnologije omogočajo usmerjanje pramena UZ s posebnimi
objektivi, pretvorniki novejše tehnologije pa s pomočjo uporabe faznih tehnik
omogočajo spremembo smeri in fokusno globino UZ snopa.
Materiali na površini pretvornika omogočajo, da se UZ učinkovito prenaša v telo.
Običajno so to gumijaste prevleke z ujemanja impedance z impedanco tkiv. Poleg
tega je med UZ pretvornikom in med bolnikovo kožo še dodan vodni gel, ki dodatno
zmanjša impedančne razlike med pretvornikom in kožo.
Sonografski aparat
Upodabljanje z ultrazvokom
• Sonografski aparat
ustvari sliko v treh
korakih:
– Ustvarjanje pulzov UZ
valovanja
– Sprejemanje odmeva UZ
valovanja
– Izračun slike iz zajetih
odmevov
Princip delovanja ultrazvočnega sonarja
Amplitudni način (A-mode)
• Zaradi različne akustične impendance tkiv pride na meji tkiv
do odboja valovanja in z merjenjem časa potovanja lahko
določimo oddaljenost od meje.
• 1D predstavitev
Poslani pulz
A
A
B
C
D
C
D
B
oddajnik /
sprejemnik
Čas = globina
Svetlostni način (B-mode)
• 2D predstavitev
• Močnejši odboj, večja svetlost
• Statično (povprečevanje) ali dinamično
slikanje (24 ali 48 fps)
Gibajoči način (M-mode)
•
•
•
•
Prilagojen upodabljanju gibajočih struktur
Lega odmeva je predstavljena kot funkcija časa
Uporabno v echokardiografiji
Mirujoče strukture dajo ravne črte, gibajoče pa periodične
krivulje
Čas UZ slikanja
• Oddajanje UZ pulza “pulse time” (PT)
• Sprejemanje signala znotraj “pulse repetition
period” (PRP)
• Globina gledanja (DOV ali največji FOV)
FOV > cm@
PRP > P s @
PRP
c
2
13 P s / cm
• Čas slikanja “frame time” : FT = PRP * N
• Hitrost slikanja “frame rate”
FR
Čas UZ slikanja
• Primer: FOV = 10 cm, N = 120
PRP = FOV * 13e-6 s/cm= 10 cm * 13e-6 s/cm
= 130 μs
1
13 10 cm / s FOV N
6
Oprema
Oddajnik 10-100 V
Sprejemnik μV
zaslon
oddajnik
Kontrolna
enota
TR
sprejemnik
procesor
FT = PRP * N = 130 μs * 120 = 15.6 ms
FR = 1/FT = 1/15.6 ms = 64 Hz
T
trajni
spomin
dinamični
spomin
Procesiranje signalov
• Signal iz večjih globin je bolj atenurian -> korekcija svetlosti
“time gain compensation” TGC
• Karakteristike TGC so uporabniško nastavljive in so različne od
pacienta do pacienta
Diagnostična ultrasonografija
• Ultrasonografija je slikovna tehnika na osnovi
ultrazvoka, ki omogoča vizualizacijo:
–
–
–
–
–
–
podkožnih struktur v telesu
Kit
Mišic
Sklepov
Žilja
notranjih organov
• Z njo lahko odkrijemo za morebitne patologije ali
poškodbe.
Popačitve UZ slik
• Pege
objekti, ki so manjši od valovne
dolžine na UZ slikah ustvarjajo pege
• Senčenje objekti visoke atenuacije ustvarjajo sence
za njimi, ki jih TGC ne more odpraviti
• Več poti do sprejemnika vodijo poleg direktne poti
še odbite, ki so daljše in zato nastanejo
številne slike istega objekta v različnih
globinah
• Lom
zaradi loma žarka lahko pride do zamika
objekta v sliki
Izbira frekvence UZ
• Tipične diagnostične ultrazvočne naprave delujejo v frekvenčnem
območju od 2-18 MHz. Te frekvence so več 100-krat večje od meje
človeškega sluha.
• Izbira frekvence ultrazvočne preiskave je pogosto kompromis med
prostorsko ločljivostjo UZ slike in globino slikanja.
• Nižje frekvence omogočajo nižjo ločljivost slikanja, a prodrejo globlje
v telo.
• Sonografija je učinkovita za slikanje mehkih tkiv telesa.
– Za slikanje površinskih struktur se uporabljajo frekvence v območju od
7-18 MHz, ki zagotavlja boljšo osno in prečno ločljivost.
– Za slikanje globljih struktur, kot so jetra in ledvica, se uporabljajo nižje
frekvence UZ, tipično v območju od 1-6 MHz, pri katerih je aksialna in
lateralna ločljivost nižja, a globina prodiranja UZ valovanja večja.
Uporaba UZ v različnih področjih
medicine
Kardiologija
Diagnosticiranje delovanja srca, prekatov in zaklopk
Urgentno medicino
Izliv krvi v trebušno votlino ali tekočine predel osrčnika.
Odkrivanje žolčnih kamnov.
Gastroenterologijo
Preiskave trebušne slinavke, aorte, jeter, žolča, ledvic in vranice.
Ginekologija
Nevrologija
Za ocenjevanje pretoka krvi in stenoze karotidnih arterij.
Porodništvo
Spremljanje razvoja zarodka med nosečnostjo.
Oftalmologija
Urologija
Količina urina v bolnikovem mehurju. Preiskave prostate.
Mišično-skeletnega
sistema
Preiskave kit, mišic, živcev, vezi, mehkih tkiv, kosti in povrhnjice.
Srce in ožilje
Za oceno prehodnosti in morebitne zapore arterij in določi obseg
in resnost venske insuficience.
Terapevtska raba ultrazvoka
• Ultrazvok se včasih uporablja za čiščenje zob v zobni higieni.
• Ultrazvok virov, se lahko uporablja za omejeno segrevanje in
povzročanje mehanskih sprememb v biološkem tkivu. Na primer v
fizioterapiji in zdravljenju raka.
• Močno fokusiran ultrazvok se lahko uporablja za zelo lokalno
segrevanje tkiv za zdravljenje cist in tumorjev (benignih ali
malignih). Ti metodi sta “Focused Ultrasound Surgery” (FUS) ali
“High Intensity Focused Ultrasound” (HIFU). Za ti metodi se
uporablja UZ nižjih frekvenc (od 250 kHz do 2000 kHz), vendar
občutno višje energije. HIFU zdravljenja pogosto vodijo z MRI.
• Fokusirani ultrazvok lahko uporabljamo za razpad ledvičnih kamnov.
• Ultrazvok se lahko uporablja za zdravljenje sive mrene.
• Odkrili so tudi, da UZ nizke intenzitete spodbuja rast in razvoj kosti.
• Možnost uporabe za učinkovitejšo dostavo zdravil preko krvnomožganske pregrade.