Biofizyka 18.10.2013

Temat: Fale sprężyste w medycynie

- fale ultradźwiękowe są to drgania mechaniczne o częstotliwości większej niż 20 kHz, rozchodzących się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych.

W diagnostyce ultradźwiękowej wykorzystuje się fale od 2 MHz do 15 MHz

Im fala jest krótsza tym propagacja jest większa (?)

Fale poprzeczne - drgania odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali Fala podłużna - drgania odbywają się równolegle w stosunku rozchodzenia się fali

Fale rozchodzą się w:

• Tkanki miękkie –fale podłużne, rzadko poprzeczne

• Tkanki kostne –fale poprzeczne, rzadko podłużne

Wielkości opisujące stan zaburzenia ośrodka sprężystego:

• Ciśnienie akustyczne

• Natężenie dźwięku

• Temperatura

• Prędkość drgających cząsteczek

Prędkość fali ultradźwiękowej zależy od:

• Gęstości ośrodka (im większa gęstość tym mniejsza prędkość) (p)

• Modułu ściśliwości (E)

C=√E/p

Ponieważ p i E zależy od temperatury (c)

Na c ma wpływ stan czynnościowy danej tkanki, stopień jej ukrwienia, uwodnienia czy też różnice w składzie biochemicznym

Oporność akustyczna właściwa (z) zależy wprost proporcjonalnie od gęstości przy danym module sprężystości odcinka

Z=√p*E

Fala ultradźwiękowa ulega:

• Absorbcji

• Załamaniu

• Rozproszeniu

• Odbiciu

Współczynnik odbicia = stosunek fali odbitej do natężenia fali padającej

R=I_r/I_o

Ilościowy udział w/w zjawiska zależy od:

• Rodzaju tkanki

• Częstotliwości fali

• Rozmiarów obiektu w stosunku do długości fali

• Oporu akustycznego ośrodka

ABSORBCJA =>

Przyczyna – ośrodek, w którym rozchodzi się fala nie jest doskonale sprężysta / tarcie, przewodnictwo cieplne, zjawisko molekularne/

Absorbcja wpływa na głębokość wnikania fali ultradźwiękowej do ośrodka

Rozproszenie to przemiana fali w zbiór fal rozchodzących się różnych kierunkach

Absorbcja, rozproszenie, odbicie, załamanie, ugięcie

odpowiadają za tłumienie fali w ośrodku

współczynnik tłumienia = współczynnik absorbcji + współczynnik rozproszenia

Ɑ_absorbcji=Ɑ₁(f/f₁)ⁿ

Ɑ₁-współczynnik absorbcji dla częstotliwości odniesienia f1=1MHz

f-częstotliwość

n-wykładnik potęgi (zazwyczaj nieco>1)

Fala ultradźwiękowa w ośrodkach biologicznych ulega tłumieniu

Jeżeli przez tkankę miękką przepuszcza się fale ultradźwiękową podłużną wówczas współczynnik tłumienie przez tkankę nie przyjmuję dużych wartości, jeżeli natomiast przez tkankę miękką przepuścimy fale poprzeczna to w danym zakresie częstotliwości współczynnik wzrasta

Amplituda ciśnienia akustycznego maleje wykładniczo wraz z grubością warstwy ośrodka

P=p₀ e^-Ɑx

Po-max ciśnienie akustyczne

Ɑ-współczynnik tłumienia

e-podstawa logarytmu naturalnego

x-grubość warstwy ośrodka

Natężenie fali-zależy od kwadratu ciśnienia akustycznego

I=I₀ e^-µx

µ=2Ɑ - natężenie wpołczynnika tłumienia

I₀ - max natężenie

1/µ - głębokość wnikania

Zjawisko Dopplera

polega na zmianie częstotliwości fali, gdy źródło fali znajduję się w ruch względem obserwatora, niezależnie czy porusza się źródło czy obserwator

Jeżeli wiązka ultradźwiękowa jest odbita od ruchomego obiektu (np. krwinka) obiekt ten możemy traktować jako ruchome źródło

Rejestruję się fale, której częstotliwość fali odbitej jest zmieniona względem częstotliwości fali nadanej

częstotliwość fali odbitej przez ruchomą krwinkę

1. f₀=f_N(1+v/c) zbliżanie się krwinki powoduje zwiększanie częstotliwości

2. f₀=f_N(1-v/c) oddalanie się krwinki powoduję zmniejszenie częstotliwości

f₀ częstotliwość fai odbitej f_N częstotliwość fali nadanej

v prędkość ruchu źródła (krwinki) c prędkość fali ultradźwiękowej

Ultradźwiękowe metody diagnostyczne pozwalają w sposób nieinwazyjne uzyskać informacje o strukturach biologicznych oraz fizjo o patologicznych przyczynach zjawisk występujących w organizmach żywych

Wytwarzanie fal ultradźwiękowych

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne

Zmiana wymiarów liniowych kryształu pioezoelektrycznych pod wpływem zmiennego pola elektrycznego

Przyczyną tych drgań jest zmienne napięcie elektryczne panujące między elektornami przyłożonymi do kryształu

Impuls dźwiękowy przedostaje się do przetwornika odbiorczego w którym następuje zmiana grubości (drgania) w ten sposób następuje powstanie różnicy potencjałów która zostaje przekazana do układu elektrycznego odbiornika USG

Pole bliskie- kształt cylindryczny

Niejednorodność pól bliskich powoduje niedokładne odwzorowanie badanej struktury dlatego używa się wiązek zogniskowanych

l=R2/ Λ l=dłogośc fali

Pole dalekie- kształt stożka

sinΘ=Λ/R

Θ-kąt …., zmiania się ze wzrostem 2R

Efekty biologiczne oddziaływania ultradźwięków:

Efekty biologiczne działania fali ultradźwiękowej zależą

Podział ultradźwięków ze względu na ich zastosowanie

• natężenie małe: od 0,1 mW/1cm² przyspiesza proces wymian. Niewielkie nagrzewanie i mikromasaż; USG, nagrzewanie lampami

• natężenie średnie: 10W/cm2 odwracanie procesów ucisku, szczególnie tkanki nerwowej, czas powrotu do stanu normalnego zależy od natężenie i czasu ekspozycji

• natężenie duże: 100W/cm2, procesy nieodwracalne, doprowadzające do całkowitego zniszczenia tkanki, cele doświadczenia i lecznicze- chirurgia ultradźwiękowa

W tkance pod wpływem fali wydziela się ciepło

zmiana ciepła w wątrobie nie powoduje zmian

zmiana ciepła w kości ogranicza przepływ krwi

Efekty biologiczne oddziaływania ultradźwięków

Efekty biologiczne działania fali ultradźwiękowej następują po etapie zmian właściwości fizykochemicznych ośrodka.

Pod wpływem fali ultradźwiękowej może dojść do następujących procesów fizykochemicznych

Depolimeryzacji dużych biomolekuł takich jak polisacharydy, poliglikole, białaka, DNA zlokalizowanego pozakomórkowo. Kolagen

• Wzrostu przewodnictwa elektrycznego

• Katalizowania reakcji chemicznych

• Zwiększenia pęcznienia np. białek fibrylnych (kolagen)

• Wzrost dyfuzji

Działanie ultradźwięków powodować może śmierć małych zwierząt żyjących w wodzie, wpływają one także na izolowanie komórki, tkanki, bakterie.

• Ekspozyzja (?) komórek na działanie ultradźwięków w zakresie częstotliwości (1-4) MHz prowadzić może do zaburzenia wzrostu populacji komórek a przy większym natężeniu do ich śmierci i cytolizy.

• Uszkodzenie lizosomów komórek naskórka obserwowano również dla małych natęzen zakresu terapeutycznego ultradźwięków (l=0,5 W/cm², f=3MHz)

• Ultradźwięki popadują zmianę przepuszczalności blon komórkowych i szybkości dyfuzji

• Zjawiska te w zastosowaniu leczniczym mogą mieć pewne znaczenie, jednak w diagnostyce są raczej niepożądane

• Diagnostyka w terapii wiąże się z zagrożeniem dla człowieka (działanie fali ultradźwięków na tkanki)

Problemy bezpieczeństwa w badaniach ultrasonograficznych

Na podstawie materiału dośw. Można określić niektóre parametry w celu ustalenia min poziomu natężenia, powyżej którego należy się liczyć z możliwością wystąpienia efektów szkodliwych

• SPPA- natężenie szczytowe uśrednione względem czasu trwania impulsu

• SPTA- dawka max pochłonięta w czasie najdłuższej ekspozycji

• J_T-SATA-dawka przeciętna pochłonięta w czasie normalnego badania

• J_M-max natężenie impulsu

• P_M-max ciśnienie akustyczne w impulsie

Najniższe natężenie SPTA ultradźwięków, dla których obserwowano znaczące efekty biologiczne w tkankach ssaków. Wykres (A) odpowiada uszkodzeniami ogniskowym, wykres (B) jest zobrazowaniem wyników w raporcie

Rodzaje echo graficzne

• Wykorzystują informacje zakodowane w amplitudzie w fazie, natężeniu i czasie powrotu fali odbitej

• Wizualizacja statyczne polega na ręcznym prowadzeniu głowic ultradźwiękowych wiązka przeszukuje ciało pacjenta. Echo po przekształceniu na sygnał elektryczny tworzy jasne kontury granic tkanek (tkanki anatomicznie)

• Prezentacja czasu rzeczywistego-obraz jest dynamiczny dzięki temu, że wiązka przeszukuje ciało pacjenta z regulowaną prędkością. W prezentacji tej możliwa jest obserwacja ruchów badanych struktur w różnych przekrojach

Metody Dopplerowskie

• Informacje zakodowane są w postaci częstotliwości fali odbitej względem fali badanej

• Fala rozproszona na poruszającej się krwince zmienia swoją częstotliwość, względem częstotliwości fali nadanej (informacja o prędkości średniej przepływu krwi)

• Równoczesne wykorzystanie przetworników impulsowo-echowych czasu rzeczywistego i przetworników dopplerowskich, umożliwia obserwacje ruchu badanego narządu i dokonanie pomiarów parametrów dynamicznych (przekrój naczyń krwionośnych)

SATA dawka pochłonięta normalnie jest mniejsze przy impulsowej, a nie przy ciąglej emisji

SPTA Jest mniejsza dla aparatury pracującej impulsowo