ULTRASONOGRAFIA (USG)

VII. Ultrasonografia (USG)

Natura fal mechanicznych. Fala ultradźwiękowa a fala elektromagnetyczna. Fale podłużne a fale poprzeczne. Parametry ruchu falowego: amplituda, okres, częstotliwość, prędkość propagacji długość fali. Wpływ ośrodka na parametry fali ultradźwiękowej. Podstawowe zjawiska związane z ruchem falowym: odbicie, załamanie, dyfrakcja, interferencja, absorpcja oraz prawa opisujące te zjawiska. Bezwzględna i względna wartość natężenia fali - pojęcie poziomu natężenia fali. Zjawisko Dopplera. Zjawisko piezoelektryczne. Fala uderzeniowa - osobliwy przykład fali mechanicznej.

1. Natura fal mechanicznych.

- dowolny punkt (cząsteczka) ośrodka sprężystego wprawiony w ruch drgający przekazuje energię otaczającym go punktom materialnym (cząsteczkom) pobudzając je do drgań.

Fala - proces rozchodzenia się drgań w ośrodku (proces rozchodzenia się zaburzeń równowagi cząsteczek ośrodka), rozchodzące się w nim ze skończoną prędkością i niosące ze sobą energię.

- ruch falowy związany z;

• Transportem energii przez ośrodek sprężysty od cząsteczki do cząsteczki

• Ruchem drgającym poszczególnych cząsteczek dokoła ich położenia równowagi.

Infradźwięki - bardzo wolne drgania leżące poniżej granicy słyszalności.

Fale słyszalne - drgania mechaniczne o częstotliwościach od 20Hz do 20 kHz

Ultradźwięki - fale o częstotliwości f>20kHz

2. Fala ultradźwiękowa a fala elektromagnetyczna.

- w przeciwieństwie do fal E-M fale mechaniczne wymagają do rozprzestrzeniania się materialnego ośrodka sprężystego.

3. Fale podłużne a fale poprzeczne.

Ze względu na kierunek ruchu fali w stosunku do kierunku drgań cząsteczek ośrodka -> fale podłużne i poprzeczne.

Fala poprzeczna -> jeśli drgania cząsteczek ośrodka są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali.

- fala poprzeczna sprężysta może rozchodzić się w ośrodku mającym sprężystość postaci - w ciałach stałych i na powierzchni cieczy.

Fala podłużna - jeśli kierunek cząsteczek ośrodka jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali.

- polega na rozchodzeniu się w ośrodku sprężystym zagęszczeń i rozrzedzeń -> związana ze sprężystością objętościową

-mogą rozchodzić się w gazach, cieczach i ciałach stałych

-tutaj długość fali to odległość między kolejnymi zagęszczeniami lub rozrzedzeniami.

4. Parametry ruchu falowego: amplituda, okres, częstotliwość, prędkość propagacji długość fali.

Długość fali - najmniejsza odległość między cząsteczkami ośrodka objętego zaburzeniem falowym. Których fazy drgań są takie same (odległość między dwoma kolejnymi powierzchniami falowymi) λ = VT

Amplituda - w ruchu drgającym i w ruchu falowym jest to największe wychylenie z położenia równowagi. Jednostka amplitudy zależy od rodzaju ruchu drgającego: dla drgań mechanicznych jednostką może być metr, jednostka gęstości lub ciśnienia (np. dla fali podłużnej). Im większa amplituda tym fala niesie większą energię.

Okres - czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym, czyli czas pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchu drgającego. Okres fali równy jest okresowi rozchodzących się drgań. Dla fali oznacza to odcinek czasu pomiędzy dwoma punktami fali o tej samej fazie, czyli np. między dwoma kolejnymi szczytami lub dolinami.

Częstotliwość - określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy.

f - częstotliwość,

n - liczba drgań,

t - czas, w którym te drgania zostały wykonane.

T - okres

Pulsacja (częstość kołowa) - wielkość określająca, jak szybko powtarza się zjawisko okresowe. Pulsacja jest powiązana z częstotliwością (f) i okresem (T) poprzez następującą zależność:

ω - pulsacja (wyrażana w radianach na sekundę),

θ - faza ruchu drgającego (odpowiednik kąta w ruchu po okręgu),

2π - kąt pełny (2π radiana = 360 stopni).

Prędkość fali:

V - prędkość rozchodzenia się fali

λ - długość fali

T - okres

f - częstotliwość

- prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku jest zawsze stała.

5. Charakterystyka fali ultradźwiękowej

Fale ultradźwiękowe - drgania mechaniczne o f>20kHz. Można je rozpatrywać jako falę ciśnienia Lu przemieszczenia cząstek ośrodka oscylującego wokół położenia równowagi. Wraz z przekazaniem ruchu drgającego - przekazanie energii -> na drodze deformacji ośrodka.

Ciśnienie akustyczne, natężenie dźwięku, temperatura, prędkość drgających cząsteczek -> wielkości opisujące stan zaburzenia ośrodka.

Prędkośc fali ultradźwiękowej:

c = √( E/ρ)

E - ściśliwość

ρ - gęstość

- zależą od temperatury dlatego prędkość rozchodzenia się fali też zależy od temperatury.

- na prędkość wpływa też stan czynnościowy danej tkanki

- wartości c w tkankach są podobne oprócz kości, tk tłuszczowej i oka.

- w tkankach fala ulega małym ugięciom -> możliwość formowania wiązki

Oporność akustyczna właściwa Z:

Z = ρc = √(ρ/E)

6. Wpływ ośrodka na parametry fali ultradźwiękowej.

1. Efekty termiczne

- związane z pochłanianiem energii fali ultradźwiękowej przech. Przez ośrodek lepoko-sprężysty

- tu następuje przekszt. Energii kinetycznej na cieplną

- wartośc wytwarzanej energii cieplnej zależna od natężenia fali i czasu jej dział.

- tkanki miękkie - największe prawdopodobieństwo wyst. Efektów termicznych dla niskich częstotliwości i średnich natężeń fali.

2. Efekty mechaniczne

1. Kawitacja - pojawienie się w ośrodku pęcherzyków, które ulegają zapadaniu. Pęcherzyk powstaje w wyniku chwilowego obniżenia ciśnienia w określonej objętości do wartości poniżej progu określonego przez siły spójności cieczy.

- w zależności od amplitudy ciśnienia akustycznego:

• Kawitacja trwała - pęcherzyki po osiągnięciu pewnych rozmiarów mogą stać się pęcherzykami rezonansowymi -> wykonują periodyczne drgania rezonansowe

• Kawitacja przejściowa - przy średnich i dużych natężeniach. Do zajścia potrzebne trwałe zarodzi gazowych, mniejszych od pęcherzyków rezonansowych.

- gdy ciśń. > 1atm -> pęcherzyki wyk. Drgania nielinowe. Mogą gwałtownie powiększać się i zapadać się z V zbliżoną do V dźwięku -> następuje sprzężanie adiabatyczne. To sprzyja powstawaniu jonów i wolnych rodników oraz luminescencji.

2. Powstawanie fal uderzeniowych - gdy zapadają się pęcherzyki kawitacyjne, wykazują duże działanie niszczące. Jest frontem nagłego wzrostu temp., gęstości i prędkości ośrodka. To gwałtowny proces -> powoduje nieodwracalne zmiany w ośrodku. Ośrodek rozprężony z powrotem wraca do ciśnienia początkowego-> ma teraz wyższą temperaturę od początkowej. Fale uderzeniowe mogą wywoływać dyspergowanie twardych i ciekłych materiałów.

7. Podstawowe zjawiska związane z ruchem falowym: odbicie, załamanie, dyfrakcja, interferencja, absorpcja oraz prawa opisujące te zjawiska.

Odbicie -> zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi.

- ultradźwiękowa fala płaska padając prostopadle na granicę ośrodków ulega odbiciu.

Współczynnik odbicia R - informuje jaka część energii fali zostaje odbita.

I_r - natężenie fali odbitej

I₀ - natężenie fali padającej.

Zależność R od oporności akustycznej Z:

Współczynnik transmisji - energia przechodząca do 2. ośrodka: T = 1 - R

Całkowite wewnętrzne odbicie - gdy fala przechodzi z ośrodka o prędkości jej rozchodzenia się c₁ do ośrodka o prędkości c₂ > c₁ -> będzie obserwowany cień akustyczny.

-kąt graniczny - najmniejszy kąt przy którym występuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia:

sinθ =	c1
		c2

- gdy kąt padania fali ultradźwiękowej różny od zera -> tylko część energii powraca do przetwornika

Załamanie - to zmiana kierunku rozchodzenia się fali związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Inna prędkość powoduje zmianę długości fali, a częstotliwość pozostaje stała.

-załamanie fali ultradźwiękowej gdy przechodzi ona do ośrodka o innej oporności akustycznej właściwej

-w tkankach miękkich do pominięcia bo porównywalne wartości ic oporności akustycznych właściwych.

Ugięcie - następuje gdy fala ultradźwiękowa rozchodzi się w danym ośrodku w pobliżu struktury o innej gęstości

-tym silniejsze im większa długość fali w porównaniu z wymiarami przeszkody.

Interferencja - zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale.

-ulegają jej fale ultradźwiękowe padające na powierzchnię płaską z falami odbitymi od tej powierzchni -> mogą powstawać fale stojące.

-nakładanie się fal będących w fazach przeciwnych -> wzajemne osłabianie, zgodnych w fazie -> wzmacnianie

Rozproszenie - fal ultradźwiękowych polega na przemianie fali pierwotnej w zbiór fal rozchodzących się we wszystkich możliwych kierunkach. Zachodzi w wyniku oddziaływania z napotkanymi po drodze przeszkodami. Przyczynia się do osłabienia wiązki ultradźwiękowej w tkankach.

Rozpraszanie rayleighowskie -> gdy wymiary struktur rzędu (0,1 - 0,2)λ (λ - długość faliultradźwiękowej)

- gł. źródłem - > krwinki

-prawo Rayleigha - mówi o mocy P fali rozproszonej:

P = a D³ f⁴

D - średnica krwinki

f - częstotliwość

a - współczynnik proporcjonalności

-fala rozpraszana równomiernie we wszystkich kierunkach

α_R = k_R f⁴

- współczynnik rozpraszania proporcjonalny do f⁴

Współczynnik rozpraszania - (α) mówi o rozpraszaniu fali na jednostkę drogi i wyrażony jest w m^-1.

Rozpraszanie Tyndala - gdy struktury rozpraszające mają wymiary porównywalne z długością fali ultradźwiękowej λ

α_T = k_T f²

Absorpcja - proces pochłaniania energii przez ośrodek. Na skutek absorpcji energia mechaniczna fali ultradźwiękowej zamieniana jest na ciepło, ponieważ ośrodek, w którym rozchodzi się fala nie jest doskonale sprężysty.

-absorpcja jest głównym czynnikiem wpływającym na głębokość wnikania wiązki fal ultradźwiękowych do danego ośrodka.

Tłumienie - odpowiedzialne za to zjawisko są: absorpcja, rozproszenie fali oraz w małym stopniu odbicie, załamanie i ugięcie.

Współczynnik tłumienia:

α = α_A + α_R lub α_T

Zależność współczynnika absorpcji od częstotliwości fali:

αA = α1 (	f	)^n
			f1

α₁ - współczynnik absorpcji przy częstotliwości odniesienie 1MHz

n - wykładnik potęgi

-fala ultradźwiękowa rozchodząca się w ośrodku biologicznym ulega tłumieniu

-amplituda ciśnienia akustycznego p fali maleje wykładniczo wraz z grubością x warstwy ośrodka:

p = p₀ e ^-ax

p₀ - maksymalna wartość cienia akustycznego

α - współczynnik tłumienia

e - podstawa logarytmów naturalnych

Natężenie zależy od kwadratu ciśnienia akustycznego p:

I = I₀ e ^-μx

μ = 2α -> Natężeniowy współczynnik tłumienia ( cm^-1 )

I₀ - maksymalna wartość natężenia fali

1/μ - głębokość wnikania

8. Bezwzględna i względna wartość natężenia fali - pojęcie poziomu natężenia fali.

Poziom natężenia dźwięku - logarytmiczna miara natężenia dźwięku w stosunku do pewnej umownie przyjętej wartości odniesienia, wyrażana w decybelach. Wielkość ta wyznaczana jest ze wzoru:

• L - poziom natężenia fali

• I - natężenie echa

• I₀ - natężenie fali wysłanej

9. Zjawisko Dopplera

Efekt Dopplera - 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.

fo = fn ( 1 +	V	)
			C
	fo = fn ( 1 -		V	)
			C

Zbliżanie Oddalenie

f_o - częstotliwośc fali odbitej

f_n - częstotliwośc fali nadanej

V - prędkość ruchu źródła

C - prędkość fali ultradźwiękowej

- jeżeli wiązka ultradźwiękowa jest odbita od ruchomego obiektu - krwinka, obiekt ten można traktować jako ruchome źródło -> rejestruje się falę której f jest zmieniona względem f_n.

10. Zjawisko piezoelektryczne

Piezoelektryki są to związki, monokryształy jak i polikryształy, w których zachodzi zjawisko polegające na:

• zmianie kształtu ciała pod wpływem pola elektrycznego(zjawisko piezoelektryczne proste).

• pojawieniu się na przeciwległych ściankach ciała ładunku elektrycznego w wyniku przyłożonego pola elektrycznego(zjawisko piezoelektryczne odwrotne).

Zjawisko piezoelektryczne proste jest oparte na powstaniu, pod wpływem przyłożonych naprężeń mechanicznych, na powierzchni dielektryka, ładunku Q. Zależność tą można wyrazić poniższym wzorem:


P - polaryzacja, S- powierzchnia elektrod nałożonych na dielektryk.

Zjawisko piezoelektryczne odwrotne polega na odkształceniu dielektryka pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego na ten element.


E- Natężenie pola elektrycznego, d- to moduł piezoelektryczny, η- deformacja względna.

Z powyższych równań wynika, że stosunek powstającego ładunku pod wpływem przyłożonej siły oraz stosunek natężenia elektrycznego do wywołanego nim odkształcenia ciała, jest liniowy.

- w wytwarzaniu fali ultradźwiękowych wykorzystywane odwrotne zjawisko piezoelektryczne

-do wytwarzania ultradźwięków do celów diagnostycznych stosuje się przetworniki piezoelektryczne umieszczane w głowicach - > mogą zawierać jeden przetwornik piezoelektryczny nadawczo - odbiorczy lub dwa niezależne przetworniki jeden nadawczy, drugi - odbiorczy.

-elementy piezoelektryczne pobudzane do drgań przez zmienne napięcie elektryczne między przyłożonymi do kryształu elektrodami ->w ośrodku rozchodzi się zaburzenie mechaniczne->

Jeśli dojdzie do przetwornika odbiorczego wywołując zmiany jego grubości powstanie różnica potencjałów -> ona przekazywana dalej do układu elektrycznego odbiornika aparatury USG.

11. Fala uderzeniowa - osobliwy przykład fali mechanicznej

Fale uderzeniowe powstają, gdy w środowisku gazowym, ciekłym lub stałym w czasie rzędu milisekund zostanie uwolniona lub odprowadzona z zewn energia. Front fali uderzeniowej stanowi obszar podwyższonego ciśnienia, gęstości i temperatury ośrodka. Często towarzyszy jej strumień materii, który podąża za frontem. W przypadku fali dźwiękowej sprężanie ośrodka ma charakter odwracalny. Prędkość fali uderzeniowej jest zawsze większa od prędkości dźwięku w tym ośrodku i zależy od jej natężenia.

Miarą natężenia fali jest stosunek przyrostu ciśnienia frontu fali do ciśnienia panującego w ośrodku przed rozchodzącą się falą uderzeniową.

Liczba Macha - określa stosunek prędkości fali uderzeniowej do prędkości rozchodzenia się fali akustycznej w tym ośrodku.

Co może wywołać falę uderzeniową?

- gwałtownie zachodzące reakcje chemiczne

- przedmioty poruszające się w ośrodku z V ponaddźwiękowymi

- gdy ośrodek opływa przedmiot z V naddźwiękową

W miarę jak fala uderzeniowa obejmuje coraz większy obszar ośrodka ulega tłumieniu i przechodzi stopniowo w zwykła falę akustyczną. Tłumienie silne w pobliżu źródła fali uderzeniowej i maleje wraz ze wzrostem odległości od źródła. Największe tłumienie - w ciele stałym, najmniejsze - w gazie.

---