Justyna Szwed, Michalina Studzińska grupa 9 zespół 1

M6 Fizyczne podstawy stosowania ultradźwięków w medycynie. Ultrasonografia.

Fala mechaniczna - jest to zaburzenie rozchodzące się w ośrodku sprężystym i przenoszące energię bez przenoszenia masy. Zaburzenie to polega na ruchu drgającym cząsteczek ośrodka spowodowanym przez ciało drgające będące źródłem fali. Jeżeli cząsteczki ośrodka drgają w kierunku rozchodzenia się fali, to falę taką nazywamy falą podłużną. Gdy cząsteczki ośrodka drgają w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali, to taką falę nazywamy falą poprzeczną.

Równanie fali harmonicznej płaskiej ma postać:

s = A sin (ω t - k x + φ₀)

λ - długość fali (w układzie SI w metrach - m)

φ₀ - faza początkowa (wielkość niemianowana)

A - amplituda fali (jednostka tej wielkości zależy od rodzaju fali i od sposobu jej opisu -np. dla fal dźwiękowych może to być ciśnienie akustyczne, i wtedy wyraża się w paskalach)

ω - częstość kołowa (jednostka w układzie SI: 1/s = s-1)

ω = 2 π f

k - liczba falowa (jednostka w układzie SI: 1/m = m-1)

k= $\frac{2\pi}{\lambda}$

Fala akustyczna – rozchodzące się w ośrodku zaburzenie gęstości (i ciśnienia) w postaci fali podłużnej, któremu towarzyszą drgania cząsteczek ośrodka. Ośrodki, w których mogą się poruszać, to ośrodki sprężyste (ciało stałe, ciecz, gaz). Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki ośrodka (zgęszczenia i rozrzedzenia) bez zmiany ich średniego położenia. Falą akustyczną nazywa się zarówno falę, która powoduje wrażenie słuchowe (dźwięk), jak i fale o częstotliwościach i amplitudach przekraczających zakres ludzkich zmysłów, ponieważ właściwości fizyczne tych fal są bardzo podobne. Ucho ludzkie słyszy dźwięki o częstotliwościach leżących w granicach 16Hz do 20000Hz [1/s]

Podział fal akustycznych ze względu na częstotliwość

- infradźwięki – poniżej 16 Hz,

- dźwięki słyszalne 16 Hz – 20 kHz – słyszy je większość ludzi,

- ultradźwięki – powyżej 20 kHz,

- hiperdźwięki – powyżej 1010 Hz.

- ze względu na duże amplitudy i specyficzny ośrodek wyróżnia się fale sejsmiczne - drgania rozchodzące się w litosferze Ziemi.

Ultradźwięki - to fale akustyczne, których częstotliwość jest zbyt wysoka dla ucha ludzkiego. Za górną granicę słyszalnych częstotliwości uważa się wartość około 16 lub nawet (u ludzi bardzo młodych) 20 kHz. Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki np. delfin, wieloryb czy nietoperz.

Diagnostyka ultradźwiękowa opiera się ona na tym, że stałe akustyczne (współczynnik pochłaniania i prędkość fali) chorej tkanki są inne niż otaczającej ją tkanki zdrowej. Natężenie używanych ultradźwięków musi być niższe od natężenia „biologicznie czynnego” tak, aby nie wywołało zmian w danym organizmie. Zastosowanie odpowiednich przetworników obrazów optyczno-akustycznych wraz z odpowiednią obróbką danych za pomocą komputera umożliwia obserwację organów badanego organizmu.

Terapia ultradźwiękowa obejmuje działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne, znieczulające i rozkurczowe. Działanie fali ultradźwiękowej na tkanki ludzkie powoduje zmianę napięcia mechanicznego tkanek na skutek ruchu drgającego (tzw. mikromasaże) oraz jej ogrzanie wywołane pochłanianiem energii fali. Za pomocą ultradźwięków można leczyć: mięśniobóle, stłuczenia i skręcenia, zapalenie stawów, odmrożenia i wiele innych schorzeń.

Zjawisko odbicia i załamania fal jako istota obrazowania ultrasonograficznego

Głowica aparatu USG, wykorzystując zjawisko odwrotnego efektu piezoelektrycznego, wytwarza fale ultradźwiękowe. Fale te wysyłane są w głąb tkanek, gdzie odbijają się i wracają do głowicy. Powracające echa (będące zjawiskiem odbicia fali), w zależności od stosowanej w aparacie prezentacji USG, są wzmacniane, odpowiednio przetwarzane i prezentowane. Wielkość powracającego echa zależy od wielu czynników, których znajomość umożliwia prawidłowe interpretowanie obrazu USG. Fala ultradźwiękowa oprócz odbicia podlega zjawiskom załamania, interferencji, rozproszenia, jak również absorpcji.

W ultrasonografii istotne są także takie parametry jak: impedancja akustyczna tkanek, kształt powierzchni odbijających czy właściwości elastyczne tkanek. Jeśli fala pada na granicę dwóch tkanek to jej część odbije się od granicy ośrodków, a część przeniknie dalej.

Wielkość echa określa współczynnik odbicia fali R na granicy ośrodków o różnych impedancjach akustycznych Z₁ i Z₂.

Impendencja akustyczna jest równa iloczynowi gęstości ośrodka ρ i prędkości rozchodzenia się w nim fali. Stąd, jeśli Z₁= Z₂, to R = 0 i nie obserwujemy odbicia fali. Tkanki miękkie mają bardzo zbliżone wartości impedancji akustycznych i dlatego tylko niewielka część fali jest odbijana na granicach między tkankami. Bardzo ważne jest usunięcie warstwy powietrza między głowicą a skórą, ponieważ w tym przypadku różnica impedancji akustycznych jest dość znaczna i fala odbijałaby się od skóry zamiast przenikać do głębszych warstw tkanek. Stąd powszechne stosowanie żeli ultrasonograficznych.

Wpływ na uzyskiwany obraz USG mogą mieć jeszcze inne zjawiska falowe:

Rozproszenie - występuje kiedy wymiary obiektu lub niejednorodności ośrodka są znacznie mniejsze od długości fali. Zarówno w obrazowaniu narządów jak i pomiarach dopplerowskich interesuje nas jedynie ta część fal rozproszonych, która powraca do przetwornika odbiorczego. Zjawisko rozproszenia ma podstawowe znaczenie w pomiarach dopplerowskich przepływu krwi.

Interferencja - lokalne rozproszenie i odbicie części energii fali powoduje, że fale cząstkowe nakładają się na siebie. W zależności od fazy interferujących fal ich suma ma zmienną amplitudę. Interferencja fal rozproszonych powodujące, że nawet dla jednorodnych narządów ich obraz ultrasonograficzny ma ziarnistą strukturę.

Tłumienie- energia fal ultradźwiękowych ulega zmniejszeniu w czasie propagacji w tkankach. Spadek energii zależy głównie od przewodności cieplnej, tarcia wewnętrznego, lepkości, rozproszenia, procesów molekularnych, dyspersji prędkości oraz nieliniowej propagacji fal dla większych natężeń.

Rozdzielczość obrazowania ultrasonograficznego.

- Rozdzielczość przestrzenna – zmienia się z głębokością. Rozróżnia się kilka rodzajów rozdzielczości przestrzennej:

• Rozdzielczość osiowa – dotyczy pomiarów dokonywanych wzdłuż osi wiązki. Zależy od długości impulsu sondującego ośrodek. Długość impulsu jest związana z jego środkową częstotliwością.

• Rozdzielczość w azymucie (poprzeczna) – zależy od szerokości wiązki ultradźwiękowej.

• Rozdzielczość w elewacji – zależy od grubości warstwy obrazowanego narządu objętej polem ultradźwiękowym

- Rozdzielczość czasowa – jest to ilość niezależnych obrazów rejestrowanych w jednostce czasu.

- Rozdzielczość kontrastowa – jest ograniczona przez ilość poziomów skali szarości.

Rodzaje prezentacji w badaniach USG:

Prezentacja typu A (ang. amplitude) – najstarszy typ prezentacji. Przetwornik piezoelektryczny wytwarza krótkie impulsy. Echa od narządów leżących w odległości d od przetwornika powracają do niego po czasie t = 2d/c. Odebrane echa po wzmocnieniu zostają doprowadzone do układów odchylania pionowego podstawy czasu lampy oscyloskopowej. Czas odkładany jest na poziomej podstawie czasu, której wychylenia w pionie występują w miejscach odpowiadających położeniu struktur odbijających falę ultradźwiękową. Z pomiaru czasu jaki upływa między powrotem kolejnych ech wyznaczamy wymiary narządów.

Prezentacja typu B (ang. brightness) – echa ultradźwiękowe zamienione zostają na świecące plamki na ekranie monitora. Jasność plamki jest proporcjonalna do amplitudy echa. Poziomy wymiar plamki zależy od szerokości echa u jego podstawy. Im większe echo tym plamka jest jaśniejsza.

Prezentacja typu M (ang. motion) - tutaj podstawa czasu lampy oscyloskopowej jest rozjaśniana jedynie w miejscach pojawiania się ech. Echom od ruchomych narządów odpowiadają na podstawie czasu poruszające się rozjaśnione plamki, pozostawiające ślad na ekranie. Położenie echa rejestruje się wzdłuż osi pionowej na ekranie, natomiast czas na osi poziomej.

Efekt Dopplera i jego wykorzystanie w diagnostyce USG

Efekt Dopplera to zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal rozchodzących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora.

gdzie:
v – prędkość fali
f – częstotliwość fali odbieranej przez obserwatora
v_zr - – składowa prędkości źródła względem obserwatora, równoległa do kierunku łączącego te dwa punkty
f_o- częstotliwość fali generowanej przez źródło

Różnica między częstotliwościami fal wysłanych f i odebranych f '' przez głowicę nazywana jest częstotliwością dopplerowską fd. Kiedy prędkość poruszania się krwinki jest znacznie mniejsza od prędkości rozchodzenia się ultradźwięków, częstotliwość dopplerowska wynosi:

f_d=f $\frac{2v\cos\theta}{c}$

Jeżeli kąt θ jest równy 0 (cos0^o = 1) składowa prędkości odpowiadająca za efekt Dopplera jest po prostu równa V. Natomiast gdy przepływ krwi jest prostopadły do wiązki, (cos90 = 0) efektu Dopplera nie obserwujemy. W zakresie kątów od 0 do 90 wartości kąta cosθ są dodatnie , a w zakresie od 90 do 180 ujemne.

Prędkość krwi w naczyniu krwionośnym.

	Justyna	Michalina
Wart. Częstotliwości fal wysłanych przez głowice
Wart. Częstotliwości fal odebranych przez głowice
Prędkość ultradźwięków