Podstawy diagnostyki ultradźwiękowej

1. Ultradźwięki jako fala mechaniczna

Ultradźwięki są to fale mechaniczne występujące w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych o częstotliwościach większych od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, czyli 20kHz. Rozchodzenie się ruchu falowego w ośrodku towarzyszy przenoszenie energii bez równoczesnego transportu substancji. Wiele gatunków zwierząt ma zdolność do wytwarzania i odbierania drgań o częstotliwości ultradźwiękowej, na przykład nietoperze, delfiny.

1. Parametry charakteryzujące falę i ich jednostki:

Nazwa	Symbol	Jednostka	Definicja	Zależność
Długość fali	λ	Metr	Droga jaką przebywa fala w czasie jednego okresu. Odległość pomiędzy punktami fali o tej samej fazie drgań	λ = v ̇ T
Okres	T	Sekudna	Czas, w jakim cząsteczka ośrodka, w którym rozchodzi się fala, wykona jedno drganie.
Częstotliwość	υ lubf	Herc (1/sekundę)	Odwrotnośćokresu.	f = 1/T
Prędkość	v	Metr/sekundę	Prędkość z jaką rozchodzi się w przestrzeni zaburzenie ośrodka	v = λ/ T
Faza		Radiany	Faza drgań punktu ośrodka, w którym rozchodzi się fala. Faza określa w której części okresu fali znajduje się punkt fali.
Ciśnienie akustyczne	p	Paskale	Zmiana ciśnienia równowagi ośrodka w danym punkcie i momencie czasu.	p =ρ ̇ c ̇ v ρ – gęstość ośrodka c – prędkość rozchodzenia się fali v – prędkość akustyczna
Natężenie	I	Wat/ metr2	To stosunek energii (E) przenoszonej przez falę w jednostce czasu (t) do powierzchni (S) ustawionej prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.	I = E/ (t ̇ S)
Poziom natężenia	L	Decybel	Logarytm dziesiętny stosunku natężenia dźwięku badanego (I) do natężenia odniesienia (Iₒ)

1. Fizyczne podstawy diagnostyki ultradźwiękowej – rozchodzenie się fali akustycznej w ośrodku ciągłym i na granicy dwóch ośrodków

• Impedancja akustyczna(Z) – jest miarą stopnia przechodzenia ultradźwięków przez tkanki i zależy od:gęstości ośrodka (ρ) i prędkość propagacji fali ultradźwiękowej poprzez medium (c) Z = ρ * c

Inaczej oporność falowa, to miara oporu jaki stawia ośrodek rozchodzącej się w nim fali dźwiękowej.

• Właściwości sprężyste ośrodka a prędkość rozchodzenia się fali

Do rozchodzenia się fal mechanicznych, potrzebny jest ośrodek. To właściwości sprężyste ośrodka decydują o prędkości rozchodzenia się fali. Wraz ze wzrostem sprężystości ośrodka, rośnie prędkość rozchodzenia się fali.

• Odbicie– zjawisko polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się fali akustycznej na granicy dwóch ośrodków powodującej, że fala pozostaje w ośrodku, w którym się rozchodziła.

• Załamanie – gdy wiązka ultradźwiękowa pada na granicę dwóch ośrodków pod kątem różnym od prostego i prędkość fali zmienia się na granicy ośrodków, wówczas następuje odchylenie od pierwotnego kierunku, czyli załamanie.

• Tłumienie–zmniejszanie się amplitudy drgań swobodnych wraz z upływem czasu, związane ze stratami energii układu drgającego.

Podczas tłumienia dochodzi do zmniejszenia amplitudy fali.

• Rozpraszanie – zachodzi wówczas, gdy długość fali jest większa od elementów struktury, wtedy fala ultradźwiękowa jest odbijana we wszystkich kierunkach.

1. Ultrasonografia – podstawy fizyczne prezentacji

Ultrasonografia jest to nieinwazyjna, atraumatyczna metoda diagnostyczna, pozwalająca na uzyskanie obrazu przekroju badanego obiektu (tkanek i narządów, przestrzeni płynowych) przy pomocy fali ultradźwiękowej, w wyniku odbicia części fal ultradźwiękowych na granicy ośrodków.

1. Efekt Dopplera i jego wykorzystanie do określania prędkości przepływu krwi w naczyniach Efekt Dopplera– zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz rejestrowanej 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. Jeśli źródło i obserwator zbliżają się do siebie wówczas obserwujemy zwiększanie się częstotliwości. Gdy źródło i obserwator oddalają się częstotliwość się zmniejsza.

USG dopplerowskie– jedno z podstawowych badań w diagnostyce chorób układu krążenia. Pozwala na ocenę przepływu krwi w dużych tętnicach i żyłach, wykorzystując zmiany częstotliwości fal ultradźwiękowych odbitych od poruszających się krwinek.

1. Sprężyste właściwości ośrodków:

Stan stały – o dużych wartościach modułów sprężystości zarówno objętościowej jak i postaciowej

Stan ciekły – o dużych, choć nieco mniejszych niż w stanie stałym, wartościach modułu sprężystości objętościowej, a znikomo małych – postaciowej.

Stan gazowy – o małych wartościach modułów sprężystości objętościowej i praktycznie zerowym module sprężystości postaciowej.

• Odkształcenie sprężyste- odkształcenie, które ustępuje po usunięciu siły, która je spowodowała (odwracalne odkształcenie). Siła, która powoduje, że odkształcenie jest sprężystym nosi nazwę siły sprężystości.

• Prawo Hooke’a- prawo mechaniki określające zależność odkształcenia od naprężenia. Głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej na nie siły jest proporcjonalne do tej siły.

• Moduł Younga– wielkość charakteryzująca sprężystość danego ciała. Wyraża ona, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.Moduł Younga jest hipotetycznym naprężeniem, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie.

1. Wytwarzanie i odbiór fal ultradźwiękowych

• mechaniczne – układy drgające (struny, płytki sprężyste, piszczałki). Wykorzystują one drgania samego tworzywa albo przepływ gazów czy cieczy. Typowe przykłady to syreny ultradźwiękowe i piszczałka Galtona.

• termiczne – poprzez wyładowania elektryczne w płynach i gazach, poprzez ciągłe lub impulsowe podnoszenie temperatury przewodników prądu.

• magnetostrykcja – zmiana długości rdzenia elektromagnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid nawinięty na ten rdzeń.

• odwrócenie efektu piezoelektrycznego– polega na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn kryształu kwarcu lub innego minerału szybko zmiennego napięcia elektrycznego. Prowadzi to do rozszerzenia lub skurczenia płytki i do powstania drgań o odpowiedniej częstotliwości.

• optyczne – laserem można wytworzyć fale sprężyste w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwiękowych aż do zakresu hiperdźwiękowego.

• Odbiór ultradźwięków przez przetworniki ultradźwiękowe. Odbiorniki ultradźwiękowe są: mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, cieplne, chemiczne, optyczne. W zależności od rodzajuenergii.

1. Ciężar właściwy– stosunek ciężaru ciała do jego objętości. Jednostką ciężaru właściwego jest Niuton na metr sześcienny, co oznacza, że ciężar właściwy jest liczbą mówiącą o tym ile niutonów waży 1 metr sześcienny substancji. Jest zależny od temperatury i ciśnienia, ponieważ te dwa czynniki wypływają na objętość tego obiektu. Zależny jest od siły ciążenia, czyli w warunkach nieważkości wynosi zero.

2. Gęstość – stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości. Jednostką gęstości w układzie SI jest kilogram na metr sześcienny – kg/m³. Jest zależna od temperatury i ciśnienia ponieważ te dwa czynniki wypływają na objętość tego obiektu. Nie jest zależna od siły ciążenia, w warunkach nieważkości gęstość pozostaje taka sama jak w warunkach ciążenia.

3. Prawo Archimedesa– podstawowe prawo hydro- i aerostatyki określające siłę wyporu.

• Na ciało zanurzone w płynie (cieczy, gazie lub plazmie) działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu. Wartość siły jest równa ciężarowi wypartego płynu. Siła ta jest wypadkową wszystkich sił parcia płynu na ciało.

• Siła wyporu działająca na ciało zanurzone w płynie jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało.

• Wniosek I: siła wyporu jest tym większa, im cięższy jest płyn - większa siła wyporu jest w wodzie, niż w powietrzu i większa w rtęci, niż w wodzie.

• Wniosek II: siła wyporu jest tym większa, im większe (rozmiarami, objętością) jest ciało (a przynajmniej jego zanurzona część)

1. Warunek pływania ciał

• Ciało będzie pływało po powierzchni cieczy, jeśli jego siła wyporu unosząca je do góry, okaże się większa, bądź przynajmniej równa, niż siła ciężkości ciągnąca do dołu. Największa siła wyporu pojawi się przy pełnym zanurzeniu ciała, jako że wypiera ono ciecz tylko zanurzoną w niej częścią, a nie tą wystającą nad wodę. Tak więc można by powiedzieć, że ciało będzie w cieczy pływało, jeśli siła wyporu dla maksymalnego zanurzenia, będzie większa, bądź równa sile ciężkości.

• Gdy ciało pływa po powierzchni wody siła ciężkości jest równoważona przez siłę wyporu (siły ciężkości i wyporu mają równe wartości, ale przeciwne zwroty). Oczywiście jeśli ciało nie jest całkowicie zanurzone, to siła wyporu ma jeszcze pewien „zapas”, dzięki któremu nawet zwiększenie ciężaru ciała nie spowoduje od razu jego zatonięcia, bo automatycznie może wzrosnąć siła wyporu. Do momentu aż zanurzy się całe.