Ultradz
więki
Wykład dla studentów kierunku
Analityka medyczna
2012 - 2013
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
TrochÄ™ podstaw
" Ultradz
więki to fale akustyczne o częstotliwości
powyżej 20 kHz
" Zjawiska i parametry dotyczÄ…ce rozchodzenia siÄ™ fal
dz
więkowych stosuje się również do ultradz
więków
" Fale ultradz
więkowe odbijają się i załamują na
granicach pomiędzy różnymi ośrodkami
Akustyczne parametry ośrodka
(tkanki)
Prędkość propagacji fali w ośrodku c
Impedancja akustyczna ośrodka Z
Współczynnik tłumienia fali a
Prędkość ultradz
więków w ośrodku
W ciałach stałych
M
M  moduł sprężystości
c =ð
Á
gęstość
W cieczach i gazach
K
K  współczynnik ściśliwości
c =ð
Á
Prędkość ultradz
więków wzrasta wraz ze
wzrostem temperatury
TÅ‚umienie ultradz
więków
A =ð A0e-ðax
A  amplituda fali
a  współczynnik tłumienia
x  przebyta droga
a = aabsorbcja+ arozpraszanie
Fala akustyczna jako rozchodzÄ…ce siÄ™
periodyczne ruchy cząsteczek ośrodka
Periodyczne ruchy cząsteczek (o prędkości v)
powodują lokalne zmiany ciśnienia (Dp) w ośrodku
Impedancja akustyczna (opór akustyczny)
Stosunek lokalnych zmian ciśnienia Dp wywołanych przez
oscylujące cząsteczki do prędkości cząsteczki podczas
oscylacji v nazywany jest impedancjÄ… akustycznÄ… Z :
Z = Dp/v
Impedancja akustyczna jest parametrem zwiÄ…zanym z
oporem ośrodka przeciw rozchodzącej się w nim fali.
Impedancja akustyczna ośrodka (np. Powietrza, skały,
wody, tkanki), jest parametrem materiałowym:
Z = Á·c
Gdzie: Á to gÄ™stość oÅ›rodka, a c to prÄ™dkość sprężystej fali
podłużnej (np. dz
więku) w tym ośrodku
 Impedancja Współczynnik
akustyczna tłumienia (1MHz)
Ośrodek Prędkość
x
x
106 kg/m2s
103 m/s dB/cm
Woda 1.483 1.48 0.0022
Powietrze 0.343 0.00045 12
Krew 1.55 1.61 0.17
Tkanka 1.45 1.38 3.0
tłuszczowa
Mięsień 1.55 1.62 0.53
Kość 2.35 - 4.55 4.5  9.2 5.0  12.0
Ultradz
więki w medycynie
Zastosowania diagnostyczne:
2MHz  15 MHz
Zastosowania terapeutyczne:
0.5  1.2 MHz
Inne zastosowania laboratoryjne
Diadnostyka ultradz
więkowa
Obrazowanie ultradz
więkowe
Monitorowanie zabiegów wewnątrz ciała
Odbicie ultradz
więków na granicy
pomiędzy dwoma różnymi ośrodkami
Z1 = r1c1 Z2 = r2c2
IT
Io
IR (Z1 -ð Z2 )2
IR
R =ð =ð
IO
(Z1 +ð Z2 )2
Współczynnik odbicia to stosunek natężenia fali
odbitej na granicy do natężenia fali padającej.
Odbicie na granicy:
tkanka tłuszczowa-nerka
Z1 = 1.38x106kg/(m2s) Z2 = 1.62x106kg/(m2s)
R = 0.0064
Io = 1
IT = 0.9936
IR = 0.0064
Odbicie na granicy: mięsień-powietrze
Z1 = 1.62x106kg/(m2s) Z2 = 0.00045x106kg/(m2s)
R = 0.999
Io = 1
IT = 0.001
IR = 0.999
Odbicie ultradz
więków
Prezentacja A
1 2
4
3
Ekran oscyloskopu
4
1 2 3
Obrazowanie ultradz
więkowe
Prezentacja B
ULTRASONOGRAFIA
" Fala ultradz
więkowa wytworzona przez przetwornik piezoelektryczny jest
wprowadzana do ciała pacjenta (kontaktowo)
" Fala odbija się na granicach pomiędzy tkankami i strukturami w tkankach
" Odbite fale (echa) trafiajÄ… do tego samego przetwornika i sÄ… przetwarzane na
sygnał elektryczny
" Zmiany tego sygnału są przetwarzane na obraz na ekranie komputera
Metoda echa
Ultrasonografia
rozdzielczość ~ 1 mm
Efekt Dopplera
w pomiarach prędkości krwi
2v
fD =ð f ×ð ×ðcosa
c
Ultrasonografia dopplerowska
Oddziaływanie ultradz
więków z materią
 podstawy fizyczne
" Efekt termiczny
-Absorpcja energii kinetycznej czÄ…steczek i jej
zamiana na ciepło; zależy od natężenia i czasu
trwania ekspozycji
Np. 1 MHz o natężeniu 1 W/cm2, powoduje
wzrost temperatury 1 cm3 tkanki miękkiej o
1.44K/min
" Efekt mechaniczny
- Ruch składników materii
Terapeutyczne zastosowanie ultradz
więków
" Diatermia ultradz
więkowa
" (efekt termiczny)
przykład zastosowania:
bóle mięśni i stawów
" Mikromasaż
Wnikanie w skórę
" (efekt mechaniczny)
Masaż ręczny
przykład zastosowania:
Masaż
leczenie zbliznowaceń
mechaniczny
Masaż
ultradz
więkowy
Oddziaływanie ultradz
więków z materią
Kawitacja akustyczna
Ultradz
więki rozchodzą się jako lokalne zagęszczenia i
rozrzedzenia ośrodka. Przy wystarczająco dużej mocy fali,
podczas fazy rozrzedzenia może dojść do utworzenia
pęcherzyków kawitacyjnych wypełnionych parą wodną.
Jeżeli ciecz gwałtownie przyśpiesza, to zgodnie z zasadą
zachowania energii, ciśnienie statyczne cieczy musi
zmaleć.
Im niższe ciśnienie  tym niższa temperatura wrzenia 
ciecz wrze i pęcherzyki wypełniają się para wodną.
Kawitacja to gwałtowna przemiana fazowa z fazy
ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia
ciśnienia.
Oddziaływanie ultradz
więków z materią
Kawitacja akustyczna
Amplituda ciśnienia
akustycznego
Rozmiar
pęcherzyków
Kawitacja akustyczna
Pęcherzyki rosną stopniowo a potem zapadają się
podczas fazy kompresji wydzielajÄ…c energiÄ™
wystarczajÄ…cÄ… zainicjowania zmian mechanicznych i
chemicznych w ośrodku.
Tworzenie
rodników
Erozja
powierzchni
Emisja
akustyczna
Emisja
światła
Wpływ ultradz
więków wysokiej
mocy na materiÄ™
" Efekt termiczny
" Efekt mechaniczny
Oddziaływanie ultradz
więków z materią
" Przyspieszenie i wzmocnienie pewnych procesów, np.:
dyfuzja, powstawanie rodników, tworzenie emulsji,
polimeryzacja
" Dezintegracja i fragmentacja czÄ…steczek w
zawiesinach (efekt bakteriobójczy), erozja powierzchni,
usuwanie osadów
Efekt zależy od natężenia !
Natężenia fali ultradz
więkowej w
zależności od zastosowania
Diagnostyka - obrazowanie - do 0,1W/cm2
Diagnostyka Dopplerowska - do 1W/cm2
Zabiegi fizjoterapeutyczne - (1- 3) W/cm2
Czyszczenie powierzchni, rozdrabnianie
cząsteczek, efekty chemiczne - powyżej 10 W/cm2
Uwaga: Efekt działania zależy nie tylko od mocy ale i od
czasu ekspozycji.
< 0,1W/cm2 efektu biologicznego nie stwierdzono
nawet po wielu godzinach działania,
> 10 W/cm2  efekt biologiczny możliwy już po 20 s
Ultradz
więki wysokiej mocy w
laboratorium
Myjki (wanny) ultradz
więkowe,
Dezintegratory i homogenizatory
Sterylizatory ultradz
więkowe
Nawilżacze
Ultradz
więki wysokiej mocy w
stomatologii
Usuwanie zmian próchniczych,
Oczyszczanie zębów z kamienia
nazębnego
Dziękuję za uwagę!
Zęby psa przed i po czyszczeniu
ultradz
więkowym