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]



[kgm

-3

10

-3

]

Z

[kgm

-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