Odbicie fali i załamanie fali
Odbicie i załamanie fali może zachodzić jednocześnie.
Prawno odbicia- kąt padania jest równy kątowi odbicia.
Prawo złamania fali na granicy 2 ośrodków (prawo snelliwo)- stosunek sinusów kątów podania i załamania jest równy stosunkowi prędkości w obu ośrodka
Im R bliższa 1 tym obicie fali jest większe.
Granica ośrodków |
Wartość R |
Tkanka miękka- Powietrze |
0.9989 |
Tkanka miękka- płuca |
0.52 |
Tkanka miękka- kości |
0.43 |
Ciało wodniste oka- soczewka oka |
0.011 |
Tkanka tłuszczowa - wątroba |
0.0079 |
Tkanka miękka- tkanka tłuszczowa |
0.0063 |
Tkanka miękka- mięśnie |
0.0004 |
Olej mineralny - tkanka miękka |
0.0043 |
Odbicie fali akustycznej- echo-Odbicie fal akustycznej od granic dwóch ośrodków różniących się impedencją nazywamy echem.Zjawisko echa jest podstawową wizualizacji wewnętrznych struktur ciała.Echa od narządów leżących o odległości od nadajnika powracają do niego po z czasie.Mniej niż 1% natężenia fali płaskiej odbija się od granicy dwóch różnych tkanek.Reszta przenika kolejno przez wszystkie następne granice tkanek miękkich. Fale odbite od kolejnych granic powoduję powstawanie na każdej z nich echa, które przetworzone i wzmocnione tworzą obraz badanego narządu oraz jego struktury wewnętrznej.Trzy warstwy tkanek nieznacznie różniących się oporem akustycznym. Każda granica odbija tylko część wysyłanej fali obowiązkowej jako echo.
Osłabnie natężenia fali ultradźwiękowej-Natężenie fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w ośrodkach stałych ulega osłabieniu. Składając się na to dwa czynniki:
Pochłanianie (absorpcje) kiedy część energii fali jest tracona z powodu ciepła wytworzonego na skutek tarcia wewnętrznego cząstek.
Rozpraszanie ( nieukierunkowane odbicie) fali od poszczególnych granic, które występuje w ośrodkach niejednorodnych pod względem struktury.
Wielkość strat energii określa energetyczny współczynnik tłumienia , który jest suma współczynnika absorpcji i rozpraszania.
Osłabienie fali usg w tkance miękkiej, wynosi średnio 0,8 dB/cm/MHz
Źródła ultradźwiękowe
Naturalna- zwierzęta (nietoperze, delfiny, ćmy)
Sztuczne- piszczałki, turbiny, drgające kryształy
Przetworniki ultradźwiękowe wykonane są z kryształów zawierających w sieci krystalicznej dipole elektryczne np. kwarc, cyrkonian ołowiu, tytanium ołowiu ( syntetyczny).
Efekt piezoelektryczny
Efekt piezoelektryczny polega na wytworzeniu różnicy potencjałów między przeciwległymi ściankami kryształu piezoelektrycznego na skutek jego mechanicznegoodkształcenia.Odwracalny efekt piezoelektryczny polega na mechanicznym odkształcaniu kryształu piezoelektrycznego na skutek przyłożenia napięcia do jego przeciwległych ścianek.
Kryształ może wprowadzić w drganie przykładając zmienne napięcie o określonej częstotliwości do przeciwległych ścian kryształu piezoelektrycznego.
Głowica ultradźwiękowa
Głowica ultradźwiękowa pozwala na generację fali ultradźwiękowej ( zmiana sygnału elektrycznego na sygnał mechaniczny) oraz na odbiór sygnału echa ( o niskim poziomie) i zmianę z postaci mechanicznej na elektryczną.
Głowica - kryształ piezoelektryczny ( przetwornik ultradźwiękowy - odgrywa jednocześnie rolę nadajnika i odbiornika) soczewka akustyczna i materiał tłumiący ( absorber).
Przetwornik ultradźwiękowy- interferencja
Przetworniki ultradźwiękowe mają najczęściej kształt prostokątnych płytek. Zbudowane są z wielu sąsiadujących ze sobą elementów.
Każde elementy kryształu drgając wytwarza oddzielną falę kulistą. Każdy element kryształu jest źródłem fali.
Fale te nakładają się - interferują ze sobą. Jeśli ich wychylenia są zgodne w fazie- sumują się jeśli przeciwne - ulegają zmniejszeniu lub nawet całkowitej eliminacji.
Jakość obrazowania -rozdzielczość
Zdolność rozdzielcza- odpowiada minimalnej odległości dwóch punktów leżących na osi wiązki, które są rozróżniane jako oddzielne.
Wyróżniamy zdolność rozdzielczą osiową i poprzeczną.
Zdolność rozdzielcza osiowa d zależy od długości impulsu emitowanego przez aparat ( sondującego ośrodek) i od jego częstotliwości. Im krótszy impuls i im większa częstotliwość tym większa rozdzielczość osiowa. Jest równa z przybliżeniu połowie impulsu sondującego.
Rozdzielczość poprzeczna- zależy od przekroju poprzecznego impulsu sondującego przekrój zmienia się wraz z głębokością.
Ogniskowanie prowadzi do poprawy rozdzielczości poprzecznej przynajmniej w pewnym ograniczonym obszarze. Najlepsza rozdzielczość w rejonie ogniska.
Ogniskowanie wiązki
Techniki ogniskowania:
mechaniczne- za pomocą soczewki i zwierciadeł akustycznych, woda powoduje ogniskowanie wiązki w jednym punkcie podczas gdy w diagnostyce pożądana jest możliwość obserwacji większych powierzchni => pożądanie ogniskowanie w całym polu widzenia.
Elektryczne ( dla przetrwalników wieloelementowych)- umożliwia zmianę ogniskowej w obrębie całego pola widzenia. przetrwalniki w kształcie koncentrycznych pierścieni ( lub uszeregowane liniowo) + linie opóźniające nadawanie i odbiór impulsów=> możliwa zmianę ogniskową
Zasada Huygense
Zasada Huyhense- promieniowanie źródeł A, rozchodzące się na zewnątrz powierzchni S, jest identyczne z promieniowaniem zbioru niezależnych elementarnych źródeł umieszczonych na powierzchni S. Fale powstające w niezależnych źródłach B, należących do jednej powierzchni S, rozchodzące się od źródeł z tą samą prędkością w czasie t tworzą front falowy o tym samym kształci co powierzchnia S.
Ogniskowanie wiązki
Transmisja-Odpowiednie opóźnienie pobudzeń kolejnych przetworników w szyku pozwalają na odpowiednie zakrzywienie doła fali wypadkowej i formowanie wiązki
Odbiór sygnału:
każdy z elementów kryształu odbiera echo
ze względu na róże drogi przebyte przez falę odbitą od obiektu każdy element kryształu rejestruje ją w innym czasie
moduł opóźniający „ wyrównuje” odbieranie impulsy
w celu rekonstrukcji sygnału echa są sumowane
Podstawowe rodzaje głowic USG
Głowice sektorowe:
wiązka ultradźwiękowa odchyla się od jej położenia środkowego od ok 20 stopni do 45 stopni
dają obraz stożkowy skierowany wierzchołkiem do sondy
używane głowice w kardiologii ( np. możliwe jet obrazowanie serca przez wąskie okno między żebrami)