Ultrasonografia
Andrzej DÄ…browski
Zakład Fizyki Medycznej
Świętokrzyskie Centrum Onkologii
1
Ultrasonografia
" Ultrasonografia (USG) w medycynie, technik badawcze oparte na
wykorzystaniu fal akustycznych do celów diagnostycznych.
" Dzwięki 10 Hz - 20 kHz.
" Ultradzwięki 20 kHz - 800 MHz, do celów
diagnostycznych stosuje się wąski przedział
od ok. 300 kHz do ok. 15 MHz.
" USG jest stosowane w badaniach (m.in.): wÄ…troby,
pęcherzyka \ółciowego i przewodów \ółciowych,
trzustki, śledziony, przewodu pokarmowego,
naczyń krwionośnych jamy brzusznej, nerek,
przestrzeni zaotrzewnowej, pęcherza moczowego,
gruczołu krokowego, serca, sutka, mięśni i ścięgien, ginekologia,
poło\nictwo. 2
Historia USG
" SONAR - Sound Navigation and Ranging (dzwiękowa nawigacja i
pomiar dystansu)
" 1822- Daniel Colladen zbadał prędkość dzwięku w wodach jeziora
Genewa.
" 1877 - Lord Rayleigh opublikował w Anglii rozprawę naukową "Teoria
dzwięku w której opisał podstawy fizyczne rozchodzenia sie fal
dzwiękowych.
" 1880 - Pierre i Jacques Curie odkryli efekt piezoelektryczny w
kryształach kwarcu i tytanianu baru. Były to podwaliny do generowania
i odbierania fal ultradzwiekowych o częstotliwościach z zakresu
milionów cykli na sekundę (megahertzów).
" 1914-1918 - początek rozwoju ultradzwiekowych urządzeń do
nawigacji, pomiaru głębokości i odległości w wodzie - u\ywanych
przede wszystkim na łodziach podwodnych. Następnie powstał
reflektoskop i NDT - Non-Destructive Testing (badania nieniszczęce)
" 1928 - S. Sokołow w Instytucie Elektrotechnicznym w Leningradzie
opracował koncepcję ultradzwiękowego wykrywania wad w metalach i
3
stopach odlewniczych.
Historia USG
" 1941 - F. Firestone z Uniwersytetu Michigan opracował urządzenie
pod nazwÄ… "supersonic reflektoscope" do wykrywania wad w
metalach. W następnych latach nastąpił znaczny rozwój ultradzwiękowych
metod badań materiałów głównie za sprawą firm SIEMENS w Niemczech i
KRETZ TECHNIK z Austrii.
" 1942 - Karl T. Dussik neurolog-psychiatra z Uniwersytetu
Wiedeńskiego po raz pierwszy u\ył reflektoskopu do wykrywania
guzów mózgu.
guzów mózgu. Badania te nie zakończyły się jednoznacznym sukcesem z
powodów technicznych, natomiast stały się inspiracją do poszukiwań innych
zastosowań reflektoskopu w diagnostyce medycznej.
" 1948-50 - w wielu ośrodkach medycznych w USA i w Europie
prowadzono eksperymenty i badania na tkankach zwierzęcych i
wybranych narzÄ…dach ludzi.
" 1951 - powstał pierwszy skaner obrazujący badane organy tzw.
prezentacji dwuwymiarowej z modulacja jasności tzw. B-mode.
Zaczęto badać guzy sutków, kamienie w pęcherzykach \ółciowych i
nerkach, guzy mózgu, i rozpoczęła sie diagnostyka USG w
4
poło\nictwie.
Historia USG
" 1954 - szwedzi I. Edler i H. Hertz zbudowali pierwszy kardiologiczny
skaner ultradzwiękowy pracujący w trybie M-mode, umo\liwiający
zobrazowanie ruchu zastawek serca.
" 1955 - japończycy S. Satomura i Y. Nimura przeprowadzili pierwszą
analizÄ™ ruchu zastawek serca z wykorzystaniem efektu Dopplera.
" 1956 - Mundt i Huges opublikowali pierwsze doniesienia dotyczÄ…ce
ultradzwiękowych badań gałki ocznej w prezentacji A, dwa lata pózniej
Baum i Greenwood w prezentacji B. Lata 60-te - był to prawdziwy
boom techniki ultrasonograficznej - na całym świecie pojawiło sie
mnóstwo doniesień naukowych o coraz to nowych mo\liwościach
diagnostyki ultradzwiękowej. Powstało wiele firm produkujących
ultrasonografy w Europie , USA, Japonii, Australii i w Chinach.
5
Historia USG
" 1964 - W. Buschmann z Berlina Wschodniego po raz pierwszy opisał
wieloelementową głowicę ultradzwiękowa (multi-element electronic array)
w zastosowaniach oftalmologicznych.
" 1965 - firma Siemens Medical System wyprodukowała pierwszy
ultrasonograf czasu rzeczywistego pod nazwa VIDOSON.
" 1968 - J. Sommers z Holandii opisał mechanizm pracy
wieloelementowych głowic sterowanych fazowo (phased array
tranducers i annular array transducers).
" Lata 70-te i 89-te - lawinowy rozwój diagnostyki USG związany m.in.
z gwałtownym rozwojem elektroniki. Pojawiły sie pierwsze
ultrasonografy z głowicami liniowymi (linear array), konweksowymi
(convex array), rozwinęła się dziedzina diagnostyki endowaginalnej i
endorektalnej. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych układów
elektronicznych stała sie mo\liwa wyrafinowana obróbka sygnałów
USG - co znacznie podniosło jakość zobrazowania. Na przełomie lat
70 i 80 rozwinięto te\ podstawy matematyczne obróbki sygnałów
dopplerowskich (co umo\liwiło powstanie ultrasonografów ze
6
zobrazowaniem przepływów (FFT i Color Doppler)).
Podstawy fizyczne USG
" Fale akustyczne fale podłu\ne (szkielet + ciało człowieka (płyn) bez
szkieletu) i poprzeczne (szkielet).
" I: Równania ró\niczkowe wią\ące wielkości charakteryzujące zmiany
ciśnienia, gęstości i prędkości małego elementu ośrodka równanie
falowe, które w idealnym ośrodku, tj. przy zaniedbaniu lepkości i
falowe, które w idealnym ośrodku, tj. przy zaniedbaniu lepkości i
przewodnictwa cieplnego płynu, ma np. dla ciśnienia akustycznego p
postać:
gdzie: " - operator Laplace a, c prędkość propagacji fali
akustycznej.
7
Podstawy fizyczne USG
" Podejście to ma bardzo ograniczone zastosowanie do opisu
rozchodzenia siÄ™ fal akustycznych w fizycznym opisie USG
(uwzględnienie lepkości i niezerowej przewodności cieplnej ośrodka
wprowadza do równania falowego dodatkowe człony).
" II: wykorzystanie makroskopowych parametrów
" II: wykorzystanie makroskopowych parametrów
" długość fali, I natę\enie fali (ilość energii przepływającej przez
jednostkowÄ… powierzchniÄ™ 8 Ä„" do kierunku propagacji w jednostce czasu).
" Płyn, w którym rozchodzi się fala (ciało pacjenta), charakteryzuje się
podając prędkość propagacji fali akustycznej c i impedancję
akustycznÄ… Z.
8
Podstawy fizyczne USG
" Podejście to ma bardzo ograniczone zastosowanie do opisu
rozchodzenia siÄ™ fal akustycznych w fizycznym opisie USG
(uwzględnienie lepkości i niezerowej przewodności cieplnej ośrodka
wprowadza do równania falowego dodatkowe człony).
" II: wykorzystanie makroskopowych parametrów
" II: wykorzystanie makroskopowych parametrów
" długość fali, I natę\enie fali (ilość energii przepływającej przez
jednostkowÄ… powierzchniÄ™ 9 Ä„" do kierunku propagacji w jednostce czasu).
" Płyn, w którym rozchodzi się fala (ciało pacjenta), charakteryzuje się
podając prędkość propagacji fali akustycznej c i impedancję
akustycznÄ… Z.
9
Podstawy fizyczne USG
Z = Á0 Å" c
Á Å"
Á Å"
Á Å"
[rayl (kg Å" m-2 Å" s-1)],
Á0 Å›rednia gÄ™stość
ośrodka.
1540 m/s średnia
prędkość propagacji fali w
ciele pacjenta,
1.6Å"106 kgÅ"m-2Å"s-1
impedancja akustyczna
tkanki miękkiej
10
Absorpcja i rozpraszanie fali akustycznej w ciele pacjenta
" Zał. absorpcja fali ultradzwiękowej w elemencie objętości ~ do
iloczynu natę\enia fali i objętości elementu, prawo absorpcji:
I(x) natę\enie fali po przejściu przez warstwę x absorbenta, I0
natÄ™\enie fali padajÄ…cej, µ - współczynnik osÅ‚abienia [dB/cm]
natÄ™\enie fali padajÄ…cej, µ - współczynnik osÅ‚abienia [dB/cm]
11
Absorpcja i rozpraszanie fali akustycznej w ciele pacjenta
" µ dla tkanek ludzkiego ciaÅ‚a zale\Ä… od ½ fali akustycznej. ÅšcisÅ‚y
zwiÄ…zek miÄ™dzy µ i ½ mo\liwy jedynie dla czystych pÅ‚ynów lepkich.
" µ ~ ½2 dla wiÄ™kszoÅ›ci cieczy, gdy za absorpcjÄ™ odpowiedzialna jest
lepkość.
" Dla tkanek ludzkiego ciała tak jest w niewielkim stopniu. Dominującą
" Dla tkanek ludzkiego ciała tak jest w niewielkim stopniu. Dominującą
rolę odgrywają procesy zmian konfiguracji biomolekuł, które
charakteryzują się skomplikowaną zale\nością od częstości.
" Dla czÄ™stoÅ›ci wykorzystywanych w USG µ = BÅ"½
12
Absorpcja i rozpraszanie fali akustycznej w ciele pacjenta
13
Fala akustyczna na granicy dwóch ośrodków
" Wzajemne relacje między wymiarem obiektu i długością fali.
" Występujące w ciele pacjenta struktury tkankowe charakteryzują się
du\ym rozrzutem wymiarów:
dolna granica wymiary komórek (ok. 10 µm),
górna granica wymiary organów (ok. 10 cm).
górna granica wymiary organów (ok. 10 cm).
" Dla fali akustycznej typowa = 0.3 mm (dla c = 1540 m/s i ½ = 5 MHz)
zakres wymiarów obiektów w ciele od ok. 0.03 do ok. 300 .
" Zakładając, \e fala akustyczna dociera do granicy dwóch tkanek
charakteryzujÄ…cych siÄ™ odpowiednio Z1 i c1 oraz Z2 i c2 mo\na
wyró\nić trzy przypadki:
14
Fala akustyczna na granicy dwóch ośrodków
1. Zakres Rayleigha (wymiar obiektu << ) rozproszenie fali
akustycznej. Rozkład kątowy rozproszonej fali ma maksimum dla
kątów wstecznych, a przekrój czynny na rozproszenie jest
proporcjonalny do ½4. w USG zakres ten jest wykorzystywany w
wyznaczeniu przepływów krwi (pomiary rozproszenia fali
wyznaczeniu przepływów krwi (pomiary rozproszenia fali
akustycznej na poszczególnych erytrocytach).
15
Fala akustyczna na granicy dwóch ośrodków
2. Wymiar obiektu H" interferencja fali akustycznej. Otrzymuje siÄ™
anizotropowy rozkład natę\enia fali rozproszonej (minima i maksima
interferencyjne). Efekty interferencyjne pojawiają się głównie na
obrazach wewnętrznych obszarów organów (odpowiedzialne za
powstawanie charakterystycznego centkowania na obrazach USG).
powstawanie charakterystycznego centkowania na obrazach USG).
16
Fala akustyczna na granicy dwóch ośrodków
3. Zakres geometryczny (wymiar obiektu >> ) odbicie i
załamanie fali akustycznej.
Załamanie fali akustycznej przechodzącej przez granicę dwóch
ośrodków zbudowanych z tkanek miękkich?
17
Fala akustyczna na granicy dwóch ośrodków
Dla małych kątów padania
fale akustyczne rozchodzÄ…
siÄ™ w ciele pacjenta
siÄ™ w ciele pacjenta
praktycznie bez zmiany
kierunku (mimo wielokrotnego
przechodzenia przez granicÄ™
między ró\nymi strukturami
tkankowymi).
18
Fala akustyczna na granicy dwóch ośrodków
" Natę\enie fali odbitej i załamanej współczynniki odbicia (R) i
transmisji (T):
" Ir, It, I0 natÄ™\enia fali odbitej,
załamanej i padającej.
załamanej i padającej.
19
Fala akustyczna na granicy dwóch ośrodków
" Natę\enie fali odbitej od granicy dwóch rodzajów tkanek miękich
(echo) jest niewielkie (< 1% wartości I0) mo\na je jednak
zarejestrować.
" Niewielkie straty natę\enia fali padającej powodują jednocześnie, \e
fala akustyczna mo\e penetrować wiele (kilkadziesiąt) granic
fala akustyczna mo\e penetrować wiele (kilkadziesiąt) granic
obszarów tkankowych.
" Rejestracja powstałego na ka\dej granicy echa mo\e odtworzyć
obraz granic ró\nych obszarów tkankowych pojawiających się na
drodze fali akustycznej.
20
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Zjawisko piezoelektryczne - materiały dielektryczne o określonej
strukturze krystalograficznej.
" Płasko-równoległa płytka materiału piezoelektrycznego umieszczona
w zewnętrznym polu elektrycznym ulega deformacji ściskania lub
rozciągania. Gdy pole elektryczne E i zewnętrzne naprę\enie T są
rozciągania. Gdy pole elektryczne E i zewnętrzne naprę\enie T są
przyło\one Ą" do powierzchni płytki piezoelektrycznej o grubości l, to
odkształcenie płytki S mo\na wyrazić jako:
(")
" "l zmiana grubości płytki, Y moduł Younga, dp stała
piezoelektryczna w kierunku Ą" do powierzchni płytki.
21
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Materiały piezoelektryczne - spieki ceramiczne tlenków tytanu,
cyrkonu lub niobu ze związkami ołowiu lub baru. Dla spieku PZT
(zwiÄ…zek Ti, Zr i Pb) dp = 593Å"10-12 m/V.
" Zał. do płytki przyło\ono napięcie V (E=V/l) i \e T = 0 "l=dpV.
"
"
"
" Przykładając do płytki sinusoidalne zmienne napięcie
" Przykładając do płytki sinusoidalne zmienne napięcie
(V(t) = V0 sin (2Ä„½t)) mo\na obliczyć prÄ™dkość powierzchni pÅ‚ytki:
(""
"")
""
""
" która będzie równa prędkości oscylacji ośrodka będącego w
kontakcie z elementem piezoelektrycznym.
22
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Zał. Element piezoelektryczny generuje falę płaską, korzystając z
relacji p=Zv i równania na v mo\na wyznaczyć ciśnienie akustyczne
i natę\enie fali akustycznej w ośrodku:
" Przyjmując dp dla PZT, Z równe średniej impedancji akustycznej
" Przyjmując dp dla PZT, Z równe średniej impedancji akustycznej
tkanki miÄ™kkiej, ½ = 1 MHz oraz V0 = 50 V I = 2.76 W/cm2.
" Element piezoelektryczny nigdy nie jest w bezpośrednim kontakcie z
ciałem pacjenta.
23
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
ZDOP impedancja akustyczna warstwy
dopasowujÄ…cej,
Z - impedancja akustyczna spieku PZT,
ZPZT - impedancja akustyczna spieku PZT,
ZTM - impedancja akustyczna tkanki miękkiej
24
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Grubość płytki piezoelektrycznej określa częstości rezonansowe
drgań.
" Zał. jedna powierzchnia płytki jest sztywno związana z blokiem
tłumiącym, druga powierzchnia jest w kontakcie z ośrodkiem o du\o
mniejszej impedancji akustycznej ni\ materiał elementu
mniejszej impedancji akustycznej ni\ materiał elementu
piezoelektrycznego (mo\e być uznana za swobodną).
" Dla płytki zachodzi relacja:
" cp prędkość fali akustycznej w kierunku Ą" do powierzchni (dla PZT
cp = 2530 m/s).
" Grubość płytki piezoelektrycznej dla częstości rezonansowej, dla
25
PZT i 1 MHz 0.63 mm.
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Istotne zagadnienie w USG
rozkład przestrzenny i czasowy
natÄ™\enia fali akustycznej
wytwarzanej przez element
piezoelektryczny.
" Zał. element piezoelektryczny ma
kształt dysku o powierzchni A i
grubości równej ź .
Obliczenie natÄ™\enia fali akustycznej w
punkcie P pochodzÄ…cej od drgajÄ…cego
" Powierzchnia dysku drga w sposób
elementu piezoelektrycznego w kształcie
opisany równaniem ("").
dysku o powierzchni A.
26
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Zastosowanie zasady Huygensa dla dysku ka\dy element dysku
dA jest zródłem fali kulistej. Pochodzące od elementu dA ciśnienie
fali akustycznej w punkcie P jest opisane zale\nością:
" Á, c gÄ™stość oÅ›rodka i prÄ™dkość rozchodzenia siÄ™ fali akustycznej.
" Ciśnienie w punkcie P pochodzące od całego dysku:
27
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" NatÄ™\enie fali akustycznej (gdy punkt P le\y na osi y - ¸ = 00, r = y):
" a promień dysku.
" Dla wartości y zawartych w obszarze 0 y1 (y1 odpowiada argumentowi
" Dla wartości y zawartych w obszarze 0 y1 (y1 odpowiada argumentowi
sin2 (we wzorze powy\ej) równemu Ą/2):
" rozkład natę\enia fali akustycznej oscyluje między zerem i wartością
maksymalnÄ….
" Dla ½ = 5MHz, rdysku = 3 mm, y1 = 29 mm obszar ten zwany jest
polem bliskim lub obszarem Fresnela (średnie natę\enie wzdłu\ osi nie
ulega zmianie natÄ™\enie w ka\dym maksimum jest identyczne). 28
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
Rozkład natę\enia fali dla a/ = 10.
29
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Ograniczenie (ostatni wzór) na wymiar elementu piezoelektrycznego
w stosunku do . Gdy y1 < 0 to element drgający nale\y traktować
jako zródło punktowe.
" Dla y > y1 i jednoczeÅ›nie y >> a, mo\na wyra\enie na I(y, ¸ = 0)
uprościć do postaci:
uprościć do postaci:
" Obszar ten nazwany jest polem dalekim lub obszarem
Fraunhofera natę\enie fali na osi maleje z kwadratem odległości,
fala przestaje być równoległą wiązką i rozchodzi się w sto\ek.
30
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Dominująca część natę\enia fali rozchodzi się w pobli\u osi. Do
opisu rozbie\noÅ›ci wiÄ…zki podaje siÄ™ z reguÅ‚y kÄ…t ¸, przy którym
wystÄ™puje pierwsze minimum poza osiÄ…, lub wartość ¸, dla której
natę\enie spada do zadanej części natę\enia na osi. Kąt, przy
którym wystÄ™puje pierwsze minimum: ¸R = 0.61 /a. Dla ½ = 5 MHz i
którym wystÄ™puje pierwsze minimum: ¸R = 0.61 /a. Dla ½ = 5 MHz i
¸
¸
¸
¸
¸
¸
dysku o promieniu 3 mm ¸R = 3.60.
31
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Element piezoelektryczny jest polaryzowany w sposób ciągły
sinusoidalnie zmiennym napięciem ultrasonografia doplerowska.
" Impulsowe polaryzowanie elementu piezoelektrycznego
rozchodząca się fala akustyczna jest paczką falową składającą się
ze skończonej liczby przebiegów sinusoidalnych.
ze skończonej liczby przebiegów sinusoidalnych.
" Liczba przebiegów w paczce falowej jest dobierana na drodze
kompromisu:
1. 1-szy graniczny przypadek paczka falowa składa się z
pojedynczego impulsu unipolarnego. Impuls taki jest superpozycjÄ…
wielu składowych o ró\nych częstościach, których widmo nie
powinno zawierać częstości rezonansowych elementu piezoel.
32
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Element piezoelektryczny jest polaryzowany w sposób ciągły
sinusoidalnie zmiennym napięciem ultrasonografia doplerowska.
" Impulsowe polaryzowanie elementu piezoelektrycznego
rozchodząca się fala akustyczna jest paczką falową składającą się
ze skończonej liczby przebiegów sinusoidalnych.
ze skończonej liczby przebiegów sinusoidalnych.
" Liczba przebiegów w paczce falowej jest dobierana na drodze
kompromisu:
1. 1-szy graniczny przypadek paczka falowa składa się z
pojedynczego impulsu unipolarnego. Impuls taki jest superpozycjÄ…
wielu składowych o ró\nych częstościach, których widmo nie
powinno zawierać częstości rezonansowych elementu piezoel.
33
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
1-szy graniczny przypadek paczka falowa składa się z
pojedynczego impulsu unipolarnego. Impuls taki jest superpozycjÄ…
wielu składowych o ró\nych częstościach, których widmo nie
powinno zawierać częstości rezonansowych elementu piezoel.
Element ten powinien być bardzo cienki (podstawowa część
Element ten powinien być bardzo cienki (podstawowa część
rezonansowa musi być większa od maksymalnej częstości w widmie impulsu).
Dodatkowo impuls unipolarny będzie zniekształcony w trakcie
penetracji ośrodka, poniewa\ absorpcja fali ultradzwiękowej
zale\y od ½. TraktujÄ…c element piezoel. jako kondensator pÅ‚aski
oraz uwzględniając, \e mała grubość kondensatora oznacza du\ą
pojemność nale\y stosować du\e prądy (do polaryzacji elementu)
34
problemy techniczne.
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
2. 2-gi graniczny przypadek paczka falowa składa się z wielu
przebiegów falowych. Widmo częstości składa się z niewielkiej
liczby składowych o częstościach zawartych w wąskim przedziale
wokół częstości podstawowej. Grubość elementu piezoel. tak
dobrana, aby częstość rezonansowa równała się częstości
dobrana, aby częstość rezonansowa równała się częstości
podstawowej paczki falowej. Wąski przedział częstości oznacza
niewielkie zniekształcenia absorpcyjne w trakcie propagacji, a
du\a grubość elementu piezoel. wią\e się z małymi prądami jego
Å‚adowania.
35
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Przy wyborze rozciągłości czasowej paczki falowej nale\y tak\e
uwzględnić osiową zdolność rozdzielczą zdolność rozdzielcza w
kierunku rozchodzenia się impulsu, połowa iloczynu długości
impulsu na wybranym poziomie ciśnienia akustycznego (z reguły 0.5,
0.25 lub 0.1 wartości maksymalnej, tj. 3 dB, 6 dB lub 10 dB) przez
0.25 lub 0.1 wartości maksymalnej, tj. 3 dB, 6 dB lub 10 dB) przez
prędkość propagacji.
" Zał.: rejestrujemy echa od dwóch granic ośrodków, których poło\enia
w ciele pacjenta ró\nią się o "x. Echa dotrą do detektora w czasach
ró\niących się o "t. Do rejestracji dwóch oddzielnych ech "t musi
spełniać następującą nierówność:
Zało\ono, \e paczka falowa składa
siÄ™ z n przebiegów o okresie Ä.
36
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Ze wzoru na "t wynika, \e najlepsza osiowa zdolność rozdzielcza
zostanie uzyskana dla impulsów unipolarnych.
" Impulsowa fala akustyczna ten sam element piezoelektryczny
mo\e być wykorzystany jako detektor fali odbitej od granicy dwóch
ośrodków (echa).
ośrodków (echa).
" Odwrotne zjawisko piezoelektryczne - mechaniczna deformacja
płytki piezoelektrycznej powoduje powstanie ładunku elektrycznego
na jej ściankach.
" Dla płytki piezoel. spełniającej równanie (") zachodzi tak\e relacja:
D = dpT + ºµ0E, D wartość wektora indukcji elektrycznej (Ä„" do pÅ‚ytki piez.),
ºµ
ºµ
ºµ
º - wzglÄ™dna przenikalność pró\ni, µ0 - przenikalność elektryczna pró\ni.
37
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Zał.: na płytkę piezoelektryczną o powierzchni A działa zewnętrzne
ciśnienie p od echa fali akustycznej, obie powierzchnie płytki
połączono mechanicznie z obudową, tj. T = -p. Aadunek q, który
powstanie na elektrodach napylonych na powierzchni przy zwartych
na krótko elektrodach (E = 0) mo\na obliczyć z równania: q = -dpAp.
na krótko elektrodach (E = 0) mo\na obliczyć z równania: q = -dpAp.
" Wartość bezwzględna napięcia na elektrodach (płytka piezoel. jako
kondensator o rozwartych elektrodach):
" gp czułość materiału elementu piezoel. na detekcję zewnętrznego
ciÅ›nienia. Dla PZT gp = 19.7 Å" 10-3 (V/m)/(N/m2). Max ciÅ›nienie fali 2 Å" 105
N/m2, grubość elementu 0.63 mm V = 2.5 mV.
38
Wytwarzanie i detekcja fal akustycznych w USG
" Czułość detekcyjne elementu piezoel. zale\y tak\e od grubości
pÅ‚ytki V maleje, gdy roÅ›nie ½. Eliminacja = mo\liwie wÄ…skie widmo
częstości impulsów.
" Korzystniej jest stosować paczkę falową rozciągniętą w czasie
zamiast pojedynczego impulsu unipolarnego.
zamiast pojedynczego impulsu unipolarnego.
" Efekt rezonansowego polepszania czułości.
39
Obrazowanie USG
" Przedstawiona na rys. sonda umo\liwia wytworzenie fali akustycznej
i rejestrację ech pochodzących od granic struktur o ró\nych
wartościach impedancji akustycznej wzdłu\ jednego kierunku.
" Szerokość wiązki w kierunku poprzecznym do kierunku propagacji
fali przy pewnym poziomie ciśnienia akustycznego poni\ej wartości
fali przy pewnym poziomie ciśnienia akustycznego poni\ej wartości
maksymalnej (0.5, 0.25 lub 0.1 wartości maksymalnej, tj. 3 dB, 6 dB lub 10
dB) definiuje poprzeczną zdolność rozdzielczą.
" Aby uzyskać obraz 2D nale\y wykonać pomiar ech wzdłu\ kilkuset
(100-200) kierunków co wymaga konstrukcji sondy , która musi
być rozbudowaną wersją jednoelementowego elementu.
40
Obrazowanie USG
" 2 typy sond:
1. Sondy wieloelementowe (połączenie 20-30 niezale\nych
elementów piezoelektrycznych, lub większej ilości). Traktując
poszczególne elementy układu wieloelementowego jako punktowe
zródła fali i stosując zasadę Huygensa, mo\na stwierdzić, \e
zródła fali i stosując zasadę Huygensa, mo\na stwierdzić, \e
wzbudzając wybraną grupę elementów z odpowiednio dobranymi
opóznieniami, mo\na uzyskać zarówno efekt zmiany kierunku
propagacji, jak i efekt ogniskowania na zadanej głębokości w ciele
pacjenta. Taka sonda z odpowiednio dobraną sekwencją opóznień
zachowuje siÄ™ podobnie, gdy pracuje jako odbiornik fali akustycznej
(mo\liwa jest rejestracja ech pochodzących z wyró\nionego obszaru w ciele
pacjenta).
41
Obrazowanie USG
42
Obrazowanie USG
Sonda wieloelementowa jako zródło punktowe wymiary
poszczególnych elementów muszą być skorelowane z .
Mo\na je określić z warunku Bragga. Dla i elementu piezoel. o
wymiarze 2a zachodzi relacja: 2a sin ¸ = n n = 0 pierwotna
¸
¸ .
¸
wiązka, n e" 1 kolejne maksima interferencyjne. Zniekształcenie
wiązka, n e" 1 kolejne maksima interferencyjne. Zniekształcenie
obrazu ech wiÄ…zki pierwotnej poprzez echo wytworzone przez silnie
odbijająca strukturę (np. kość) znajdującą się w kierunku pierwszego
maksimum interferencyjnego. W celu eliminacji tego efektu pierwsze
maksimum interferencyjne powinno powstać dla ¸=Ä„/2
maksymalny wymiar pojedynczego elementu: 2a = . Dla ½ = 5MHz
= 0.3 mm.
43
Obrazowanie USG
" 2 typy sond:
2. Sonda sektorowa mniejsza liczba (1-3) elementów piezoel.,
które przesuwają się w trakcie wykonywania badania. W
trakcie obrotu dokonywany jest pomiar ech wzdłu\ wielu
kierunków wypełniających czuły sektor sondy.
kierunków wypełniających czuły sektor sondy.
44
Obrazowanie USG
Dodatkowo ogniskowanie fali akustycznej. Szybkość obrotu
wirnika sondy musi być skorelowana z czasem pomiaru ech wzdłu\
jednego kierunku. W tego typu sondach nie występują efekty
interferencyjne (lepsze zdolności rozdzielcze). Wada pomiar w ściśle
określonym zakresie kątów, co powoduje, \e wymiary liniowe pola
określonym zakresie kątów, co powoduje, \e wymiary liniowe pola
widzenia zmieniają się w miarę przesuwania w głąb ciała pacjenta.
45
Obrazowanie USG
46
Obrazowanie USG
" Czas pracy sondy jako detektora jest znacznie dłu\szy ni\ czas
pracy sondy jako nadajnika.
" Zakładając, \e maksymalna grubość wybranego fragmentu ciała
pacjenta wynosi D, mo\na obliczyć maksymalną częstość (MCP), z
jaką mo\na powtarzać wysyłanie paczki falowej:
jaką mo\na powtarzać wysyłanie paczki falowej:
" c średnia prędkość rozchodzenia się fali w tkance miękkiej. D = 0.35 m to
MCP = 2.2 kHz.
47
Obrazowanie USG
" Prezentacja A (ang. Amplitude) sposób przedstawienia wyników
pomiarów ech wzdłu\ jednego kierunku. Ostateczny wynik badania
przedstawia maksima występujące w miejscach granic struktur
tkankowych charakteryzujących się ró\nymi wartościami impedancji
akustycznej. Umo\liwia jedynie precyzyjny pomiar odległości między
akustycznej. Umo\liwia jedynie precyzyjny pomiar odległości między
granicami struktur tkankowych czy te\ określenie wymiarów
organów. Modyfikacja prezentacja M (ang. Motion) wykorzystywana
w USG dopplerowskim.
48
Obrazowanie USG
" Prezentacja B (ang. Brightness) informacja o poło\eniu kierunku,
wzdłu\ którego wykonano pomiar, jest łączona z wynikiem pomiaru
ech dla tego kierunku w ten sposób, \e wynik pomiaru z prezentacji
A wykorzystuje się do modulacjo jasności ekranu monitora. Czas
pomiaru 2D obrazu jest iloczynem liczby linii (N) i czasu pomiaru ech
pomiaru 2D obrazu jest iloczynem liczby linii (N) i czasu pomiaru ech
wzdłu\ wyró\nionego kierunku.
49
Obrazowanie USG
" Badanie USG (echograficzne) daje zawsze wynik jakościowy. Mo\liwy
jest opis geometrii (struktury) wybranego przekroju ciała pacjenta, nie
uzyskuje się informacji o wartościach parametrów (impedancji
akustycznej) charakteryzujÄ…cych badany obiekt.
" W USG obrazowany obszar jest ka\dorazowo wybierany przez
" W USG obrazowany obszar jest ka\dorazowo wybierany przez
przeprowadzającego badanie poprzez manualne przyło\enie sondy
w określonym punkcie ciała pacjenta.
" Do właściwego przeprowadzenia badania i interpretacji wyników
wymagane jest du\e doświadczenie lekarza wykonującego badanie.
50
Ultrasonografia dopplerowska
" Obrazowanie USG badane struktury w ciele pacjenta nie zmieniajÄ…
swojego poło\enia w trakcie badania.
" Przemieszczanie struktur powoduje powstanie artefaktów (które
pogarszają jakość uzyskiwanych obrazów).
" Rozpraszanie fali akustycznej na ruchomym obiekcie powoduje
poprzez Dopplera zmianę częstości echa, które mogą być zródłem
dodatkowych informacji o prędkości przemieszczania się ruchomej
struktury (kardiologia, badania naczyniowe).
51
Podstawy fizyczne efektu Dopplera
" ½0 czÄ™stość fali akustycznej, która penetruje naczynie, przez które
płynie krew z prędkością v.
" ¸ - kat miÄ™dzy kierunkiem rozchodzenia siÄ™ fali a wektorem
prędkości.
" Fala akustyczna będzie ulegała rozproszeniu na poszczególnych
" Fala akustyczna będzie ulegała rozproszeniu na poszczególnych
krwinkach.
" Rozproszenie będzie zło\eniem dwóch procesów:
a) wzbudzenie drgań krwinki, która jest ruchomym odbiornikiem
fali akustycznej wysłanej przez nieruchomy nadajnik (element
piezoel.). Zgodnie z efektem Dopplera częstość fali, którą
zarejestruje krwinka, ½R wynosi:
52
Podstawy fizyczne efektu Dopplera
" c prędkość propagacji fali w ośrodku.
b) wysyłanie przez krwinkę (ruchomy nadajnik) fali, która zostanie
zarejestrowana jako echo w nieruchomym odbiorniku
(elemencie piezoelektrycznym).
(elemencie piezoelektrycznym).
" CzÄ™stość echa zarejestrowana przez element piezoelektryczny ½s
wyniesie:
53
Podstawy fizyczne efektu Dopplera
" Częstość fali pierwotnej wysyłanej przez sondę i rejestrowanego
echa będą się ró\nić o:
" "½ mo\e tak\e przyjmować wartoÅ›ci ujemne dla przeciwnego ni\
przyjęty w rozwa\aniach kierunek ruchu krwinki.
przyjęty w rozwa\aniach kierunek ruchu krwinki.
" ½0 1-10 MHz, ½cos¸ - 0-1 m/s "½ - 0-13 MHz (czÄ™stość w
zakresie akustycznym.
" ZnajÄ…c c i ¸ mo\na obliczyć bezwzglÄ™dnÄ… prÄ™dkość pojedynczej
krwinki.
54
Zasada działania ultrasonografu dopplerowskiego
" U\ywane sÄ… dwa typy aparatów umo\liwiajÄ…cych wyznaczenie "½.
I. Wykorzystanie ciągłej fali akustycznej doppler ciągły . Aparaty te
mają dwie niezale\ne sondy- pierwsza działa jako nadajnik, druga
jako odbiornik.
II.Korzystanie z paczki falowej doppler pulsacyjny .
II.Korzystanie z paczki falowej doppler pulsacyjny .
55
USG w ocenie gęstości tkanki kostnej
" Sondy USG pracujące przy wy\szych częstościach mikroskopia
ultrasonograficzna.
" W badaniach gęstości tkanki kostnej istotne są dwa parametry
charakteryzujące propagację fali akustycznej w ośrodku -
współczynnik absorpcji fali akustycznej µ oraz prÄ™dkość propagacji
współczynnik absorpcji fali akustycznej µ oraz prÄ™dkość propagacji
fali w ośrodku.
" Absorpcja fali w ośrodku jest efektem szkodliwym, natomiast
prędkość propagacji uwa\a się za wartość stałą dla tkanki miękkiej.
56
USG w ocenie gęstości tkanki kostnej
" Zał.: grubość ośrodka jest stała (x = const) osłabienie wiązki
ulradzwiękowej w ośrodku będzie wyłącznie liniową funkcją
częstości.
" gdzie współczynnik kierunkowy prostej BUA (ang. Broadband
" gdzie współczynnik kierunkowy prostej BUA (ang. Broadband
Ultrasonic Attenuation średni współczynnik osłabienia w szerokim zakresie
częstości), wyra\ony w dB/MHz, jest parametrem wykorzystywanym
do opisu zmian gęstości tkanki kostnej.
" µ jest zale\ny od czÄ™stoÅ›ci fali i budowy osÅ‚abiajÄ…cego oÅ›rodka
" Korelacja miÄ™dzy wartoÅ›ciÄ… µ a gÄ™stoÅ›ciÄ… oÅ›rodka i jego
elastycznoÅ›ciÄ…. Dodatkowo liniowa zale\ność miÄ™dzy µ i ½.
57
USG w ocenie gęstości tkanki kostnej
" Do pomiarów gęstości tkanki kostnej wykorzystuje się tak\e pomiar
prędkości fali USG. Prędkość rozchodzenia się fali w ośrodku SOS
(ang. Speed Of Sound) jest wyra\ona zale\noÅ›ciÄ… SOS = (EÁ
Á)1/2, E
Á
Á
parametr opisujący elastyczność ośrodka.
" W pierwszym przybli\eniu parametr E mo\na opisać zale\nością
" W pierwszym przybli\eniu parametr E mo\na opisać zale\nością
EH"kÁÅ‚, k i Å‚ - staÅ‚e charakteryzujÄ…ce badany oÅ›rodek.
ÁÅ‚
ÁÅ‚
ÁÅ‚
" Ostatecznie otrzymuje siÄ™:
" Równanie to wią\e gęstość ośrodka z prędkością rozhcodzenia się
fali USG.
58
USG w ocenie gęstości tkanki kostnej
" Typowy układ pomiarowy do
wyznaczenia BUA i SOS. Badaniu
poddaje się jedynie te obszary ciała
pacjenta, w których tkanka kostna ma
dominujący wpływ na rozchodzenie się
dominujący wpływ na rozchodzenie się
fali akustycznej (aby wyeliminować wpływ tkanki miękkiej na osłabienie
natę\enia fali). Z reguły jest to obszar pięty (testy dla przedramienia).
" 0.2 0.6 MHz zakres częstości pracy układów pomiarowych, ze
względu na silny wzrost pochłaniania fali ze wzrostem częstości fali,
zakres częstości ok. 10 razy ni\szy ni\ typowa aparatura
echograficzna.
59
Szkodliwość badań USG
" Powszechne mniemanie, \e metody te są całkowicie nieszkodliwe
dla zdrowia pacjenta.
" Propagacja fali ultradzwiękowej jest związana z depozycją w
ośrodku energii, która doprowadza do lokalnego wzrostu
temperatury. Wzrost temperatury jest zale\ny od natÄ™\enia fali i
temperatury. Wzrost temperatury jest zale\ny od natÄ™\enia fali i
czasu naświetlania.
" Do wywołania hipertermii (wzrost temperatury powy\ej 420C) konieczne
jest stosowanie natę\eń fali USG znacznie wy\szych ni\ do celów
diagnostycznych.
60
Szkodliwość badań USG
" Kawitacja powstawanie w cieczy pęcherzyków wypełnionych
gazem przy spadku ciśnienia poni\ej wartości progowej. Czynniki
powodujące wystąpienie tego zjawiska wartość ujemnego
ciśnienia, wywołanego propagacją fali akustycznej oraz czas trwania
impulsu falowego.
impulsu falowego.
61
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Wyklad 09 Podstawy Genetyki AIwyklad6 09wyklad 2 3 09Wyklad 09wykład 09wyklad 09Wyklad11 09wykład 09Wyklad 09 decyzja ustanawiajaca Eurojustfizjologia zwierzat wyklad 09Wyklad 09 decyzja wzmacniajaca EurojustWyklad13 09wyklady 09Wykladowka 2 09więcej podobnych podstron