Podstawy fizyczne i
aparaturowe
ultrasonografii
Kazimierz Szopiński
Zakład Diagnostyki Obrazowej
II Wydział Lekarski AM
Warszawa
Podstawy fizyczne i
aparaturowe
ultrasonografii
Kazimierz Szopiński
Zakład Diagnostyki Obrazowej
II Wydział Lekarski AM
Warszawa
Podstawowe pojęcia
Jednostki czasu
• 1 milisekunda [ms] = 10
-3
s =
0.001 s
• 1 mikrosekunda [s] = 10
-6
s =
0.000 001 s
Swobodne drgania
)
sin(
)
(
0
t
A
t
A
A
amplituda
t
czas
częstotliwość
faza
Częstotliwość
Jednostka: herc, Hz
1 Hz = 1/s = s
-1
1 kHz = 1000 Hz = 10
3
Hz
1 MHz = 1000000 Hz = 10
6
Hz
1 GHz = 1000000000 Hz = 10
9
Hz
Długość fali
λ
Okres i długość fali
ultradźwiękowej c=1540
m/s
Częstotliwość
(MHz)
Okres
(s)
Długość fali
(mm)
1.00
1.00
1.54
2.25
0.44
0.68
3.50
0.29
0.44
5.00
0.20
0.31
7.50
0.13
0.21
10.00
0.10
0.15
Fala ultradźwiękowa
• Fala mechaniczna podłużna
Podłużna fala
mechaniczna
Zakresy dźwięku
• infradźwięki < 16 Hz
• dźwięk słyszalny 16 Hz – 16-20 kHz
• ultradźwięki > 16-20 kHz
Prędkość dźwięku [m/s]
• Powietrze
330
• Woda 1430
• Metal 5000
• Tłuszcz
1450
• Tkanki miękkie
1540
• Wątroba
1550
• Krew 1570
• Mięśnie
1585
• Kość
4080
Impedancja akustyczna
c
Z
ρ gęstość ośrodka
c prędkość dźwięku w
ośrodku
Prędkość dźwięku, gęstość
i impedancja akustyczna
niektórych ośrodków
materialnych
ośrodek
c
[m/s]
[kgm
-3
10
-3
]
Z
[kgm
-2
s
-1
10
6
]
mięśnie
1580-1630 1.07
1.69-1.74
tłuszcz
1450
0.92
1.38
nerki
1550
1.04
1.62
wątroba
1560
1.06
1.66
kość
4000
1.38-1.81 3.75-7.38
powietrze
330
0.0012
0.0004
wg A. Nowickiego
Odbicie i przenikanie
na granicy dwóch
ośrodków
Z
1
Z
2
fala odbita fala przechodząca
fala padająca
Współczynnik odbicia fali
1
2
1
2
Z
Z
Z
Z
R
Współczynnik przenikania
fali
1
2
2
2
1
Z
Z
Z
R
Echogeniczność
(echogenność)
• jednorodna
• niejednorodna
Zmiany
ogniskowe
• izoechogeniczne
• hipoechogeniczne
• hiperechogeniczn
e
• anechogenne
(bezechowe)
Echogeniczność
jednorodna
Echogeniczność
niejednorodna
Guz hiperechogeniczny
Zmiana bezechowa
Osłabienie fali
•odbicie
•rozproszenie
•pochłanianie
Cień akustyczny
Cień akustyczny
Cień akustyczny
c
1
c
2
α
1
α
2
α
1
2
1
2
1
sin
sin
c
c
Prawo Snelliusa
c
1
c
2
α
1
α
2
=90°
α
1
Kąt graniczny
Cienie brzeżne
‘Wzmocnienie’ akustyczne
‘Wzmocnienie’ akustyczne
Okno akustyczne
Przykłady okna
akustycznego:
• wątroba
• pęcherz moczowy
• ciemiączko
Zjawisko piezoelektryczne
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Zjawisko piezoelektryczne
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Zjawisko piezoelektryczne
• proste
(mechaniczne
elektryczne)
• odwrotne (elektryczne
mechaniczne)
Pierre Curie (1859-1906)
Głowice ultradźwiękowe
Głowice ultradźwiękowe
Liniowa
Convex
Sektorowa
Głowica liniowa
Głowica ‘convex’
Głowica sektorowa
Głowice
endosonograficzne
Podstawowe parametry
głowicy ultradźwiękowej i
obrazu
Częstotliwość głowicy
• częstotliwość środkowa
• zakres częstotliwości
Tłumienie fali
ultradźwiękowej (-3dB)
• 3.5 MHz
1.7 cm
• 5.0 MHz
1.2 cm
• 7.5 MHz
0.8 cm
• 10.0 MHz
0.6 cm
A co to są te decybele?
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 1.251.562
2.5 3.2 4
5 6.258
10
X
dB
A co to są te decybele?
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
0.00001
0.00010.001 0.01 0.1
1
10
100
1000 10000100000
X
dB
Rozdzielczość
przestrzenna
• osiowa
• poprzeczna
• elewacyjna
Rozdzielczość osiowa
f
v
s
Rozdzielczość poprzeczna
Rozdzielczość elewacyjna
Ogniskowanie wiązki
Wiązka ultradźwiękowa niezogniskowana
Obszar Fresnela (pole bliskie)
Obszar Fraunhofera (pole dalekie)
Ogniskowanie
Rozdzielczość poprzeczna
obszar ogniskowania
Prezentacje
ultrasonograficzne
Prezentacje
ultrasonograficzne
• A (Amplituda,
A
mplitude)
• B (Jasność,
B
rightness)
• M (Ruch,
M
otion)
Prezentacja A
Prezentacja B
Prezentacja B
Prezentacja M
Bezpieczeństwo
badania
ultrasonograficzneg
o
Indeks termiczny
Thermal index, TI
deg
0
P
P
TI
Kawitacje
Indeks mechaniczny
Mechanical Index, MI
MI
a
r
C
f
P
MI
,
P
r,a
- maksymalna
wartość
ujemnego ciśnienia
fali
Maksymalny dopuszczalny MI= 1.9, w okulistyce 0.23