izr. prof. dr. Igor Serša
izr. prof. dr. Igor Serša
izr. prof. dr. Igor Serša
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Ultrazvočno valovanje<br />
Ultrazvok<br />
• Ultrazvok (UZ) je valovanje s frekvenco, ki presega<br />
zgornjo mejo človeškega sluha. Čeprav je ta meja<br />
različna od človeka do človeka, je približno 20 kHz<br />
pri z<strong>dr</strong>avih mladih o<strong>dr</strong>aslih.<br />
Ultrazvočno valovanje<br />
Zgodovina ultrazvoka<br />
• Ultrazvok se uporablja v mnogih različnih po<strong>dr</strong>očjih: medicini,<br />
raziskavah materialov, merjenje razdalj in hitrosti …<br />
• Usmerjen curek UZ valovanja pro<strong>dr</strong>e v snov in se pri potovanju skozi<br />
snov odbija na mestih sprememb akustične impedance. Odbito UZ<br />
valovanje nosi informacijo o notranji zgradbi snovi. Odboji UZ<br />
valovanja omogoča tudi slikanje z UZ.<br />
• UZ valovanje uporabljajo tudi nekatere živali za lov (netopirji)<br />
• 1880<br />
• 1914<br />
• 1928<br />
• 1940<br />
odkritje piezoelektričnega efekta<br />
(Pierre in Jacques Curie)<br />
odkrivanje podmornic s SOANR-jem<br />
uporaba ultrazvoka za iskanje<br />
defektov v materialih (Sokolov)<br />
začetki medicinske uporabe<br />
ultrazvoka (prenos znanja iz<br />
SONAR-ja)
Zgodovina ultrazvoka<br />
Primer ultrazvočne slike<br />
Slika zarodka<br />
Ultrazvočna preiskava<br />
UZ<br />
oddajnik<br />
Ultrazvočno valovanje<br />
Zgoščina (motnja)<br />
Potovanje<br />
zgoščine<br />
po udarcu<br />
t<br />
Sinusno<br />
vzbujanje<br />
frekvence<br />
<br />
c t<br />
valovna dolžina<br />
c =
Lom in popolni odboj UZ<br />
c 1 , <br />
Uklon valovanja<br />
ovira<br />
<br />
c 1 , <br />
<br />
<br />
c 2 , <br />
sin<br />
sin<br />
<br />
1 2<br />
c 2 , <br />
c1<br />
sin m<br />
( 90 )<br />
c1<br />
c2<br />
c2<br />
c<br />
c<br />
m popolni odboj<br />
Majhna valovna<br />
dolžina- šibek uklon<br />
Velika valovna dolžinamočan<br />
uklon<br />
Zaradi pojava uklona lahko natančno upodabljamo le predmete<br />
katerih velikost je bistveno večja od valovne dolžine<br />
Hitrost valovanja<br />
Potreba po visoki frekvenci UZ<br />
c <br />
c <br />
F<br />
m/<br />
l<br />
E<br />
<br />
hitrost transverzalnega valovanja po napeti vrvi<br />
hitrost longitudinalnega valovanja v trdni snovi<br />
Povprečna hitrost zvoka v<br />
mehkih tkivih je 1540 m/s,<br />
če želimo upodabljati<br />
predmete z ločljivostjo 1mm<br />
mora biti frekvenca UZ vsaj<br />
c <br />
1<br />
<br />
S<br />
hitrost longitudinalnega valovanja v kapljevinah<br />
c 1540 m<br />
1.5MHz<br />
0.001 sm<br />
c <br />
p<br />
<br />
hitrost longitudinalnega valovanja v plinih<br />
Medicinski UZ deluje s<br />
frekvencami od 1-30 MHz
Pojemanje UZ<br />
Pojemanje UZ<br />
Ultrazvok<br />
1 2 2 1 ( p0)<br />
j c<br />
s0<br />
<br />
2 2 c<br />
2<br />
sipanje<br />
vmesnik<br />
Gostota energijskega toka zvoka [W/m 2 ]<br />
absorpcija<br />
akustična<br />
impedanca<br />
transmisija<br />
<br />
<br />
atenuacija dB 10 log( j / j )<br />
1dB j j 10<br />
0<br />
1/10<br />
jx j dB cm<br />
<br />
/10<br />
( ) <br />
010 x ; /<br />
<br />
0<br />
<br />
j<br />
refleksija<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
atenuacija dB 20 log( s ( x) / s )<br />
0 0<br />
atenuacija dB 20 log( p ( x) / p )<br />
0 0<br />
x<br />
Snov<br />
Pojemanje UZ<br />
[dB/cm] (1MHz)<br />
Atenuacija je funkcija frekvecne<br />
Mišice (vzdolž vlaken) 1.2<br />
Mišice (prečno na vlakna) 3.3<br />
Maščoba 0.6<br />
Kosti 20<br />
Pljuča 40<br />
Kri 0.18<br />
Voda 0.022<br />
Jetra 0.9<br />
Možgani 0.85<br />
Atenuacija narašča približno sorazmerno s frekvenco
Ppriporočene mejne jakosti UZ<br />
Preiskava j [mW/cm 2 ]<br />
Srce 430<br />
Periferno žilje 720<br />
Oftalmološka 17<br />
Trebušna votlina 94<br />
zarodek 94<br />
vpadno valovanje<br />
j<br />
odbito valovanje<br />
Odboj UZ<br />
prepuščeno valovanje<br />
t j<br />
r j<br />
meja<br />
Tabela navaja vrednosti, ki jih priporoča FDA<br />
Doslej ni znanih potrjenih primerov škodljivsoti UZ<br />
preiskave pri navedenih mejnih vrednostih UZ jakosti.<br />
refleksija<br />
transmisija<br />
<br />
2 1<br />
<br />
2<br />
z2 z <br />
1<br />
r<br />
<br />
z c<br />
akustična impedanca<br />
z2 z1<br />
4zz<br />
1 2<br />
t 1<br />
2 r<br />
t<br />
<br />
z z<br />
Akustična impedanca<br />
Snov c [kg m -2 s -1 ]<br />
Zrak 0.0004<br />
Voda 1.5<br />
Maščoba 1.38<br />
Medenina 38<br />
Kosti (lobanja) 6.1<br />
Kri 1.61<br />
Mišice 1.7<br />
Jetra 1.62<br />
Možgani 1.55<br />
Atenuacija narašča približno sorazmerno s frekvenco<br />
Zvočilo miruje<br />
sprejemnik se giblje<br />
c/’ v/’<br />
<br />
c c v<br />
<br />
<br />
' '<br />
v v<br />
' 1 ; ' <br />
1<br />
<br />
c c<br />
Dopplerjev pojav<br />
v<br />
približuje<br />
oddaljuje<br />
Zvočilo se giblje<br />
sprejemnik miruje<br />
v/<br />
<br />
’<br />
v<br />
v c c v<br />
'<br />
<br />
' <br />
<br />
<br />
' ; ' <br />
v<br />
v<br />
1<br />
1<br />
c<br />
c
Merjenje hitrosti<br />
Merjenje hitrosti<br />
<br />
’’<br />
v<br />
’’<br />
<br />
<br />
eritrociti<br />
v<br />
v <br />
' <br />
1<br />
v<br />
c<br />
<br />
<br />
1<br />
2v<br />
' '' c <br />
<br />
1<br />
'' v <br />
1<br />
c<br />
v<br />
<br />
1<br />
<br />
c<br />
c <br />
1/ t '' 2 v/<br />
c<br />
u<br />
u<br />
+<br />
<br />
’’<br />
eritrociti<br />
v cos<br />
<br />
' 1<br />
v cos<br />
c<br />
<br />
<br />
<br />
1<br />
2v<br />
cos<br />
'<br />
'' c <br />
<br />
1<br />
'' v cos<br />
<br />
<br />
cos<br />
1<br />
c<br />
v <br />
1<br />
<br />
c<br />
c <br />
frekvenca utripanja<br />
t u<br />
1/ t '' 2 vcos / c<br />
u<br />
u<br />
frekvenca utripanja<br />
Merjenje hitrosti<br />
• Če poznamo frekvenco utripanja, osnovno<br />
frekvenco, hitrost UZ (1540 m/s), kot med osjo<br />
pretvornika in žile ter poznamo prečni presek<br />
žile lahko ocenimo volumski tok skozi žilo<br />
v<br />
c<br />
<br />
V<br />
<br />
u<br />
2<br />
cos<br />
Sv<br />
v<br />
S<br />
Ultrazvočni pretvornik<br />
• Ultrazvočni pretvornik pretvarja eno obliko<br />
energije v <strong>dr</strong>ugo:<br />
– Naprej, v fazi oddajanja, električno napetost v pulz<br />
ultrazvočnega valovanja<br />
– Kasneje, v fazi sprejemanja, ultrazvok v električno<br />
napetost<br />
• Ultrazvočni pretvorniki so narejeni iz enega<br />
(1D ultrazvok) ali več (slikanje) piezo<br />
elementov
Piezoelektrični efekt<br />
• Pri določenih kristalih se pri tlačni obremenitvi<br />
pojavi napetost med ploskvama kristala.<br />
• Velja tudi obratno, napetost na ploskvah<br />
takega kristala povzroči njegovo deformacijo<br />
(skrčenje ali raztezek)<br />
• Pri mnogih kristalih je piezoelekričen efekt<br />
prisoten pri nizkih temperaturah (Curiejeva<br />
točka je nižja od sobne temperature) -><br />
neuporabni za UZ<br />
k<br />
k<br />
2<br />
c<br />
2<br />
c<br />
Učinkovitost pretvornika<br />
mehanska energija pretvorjena v električno energijo<br />
<br />
dovedena mehanska energija<br />
električna energija pretvorjena v mehansko energijo<br />
<br />
dovedena električna energija<br />
Snov k c Curiejeva točka<br />
[°C]<br />
kvarc 0.11 550<br />
Barijev titanat 0.3 120<br />
PZT-4 0.7 328<br />
PZT-5 0.7 365<br />
PZT<br />
Pretvorniki so večinoma umetno narejeni keramični feroelektriki<br />
Ultrazvočni pretvornik<br />
Frekvenčna karakteristika pretvornika<br />
• Resonančna frekvenca piezo kristala (valovna<br />
dolžina je enaka dvojni debelini kristala)<br />
Piezokristal (PZT)<br />
c c<br />
<br />
2d<br />
Na primer 1.5 mm debel kvarčni kristal ima<br />
resonančno frekvenco pri 5740 m/s / (2 * 0.0015<br />
m) = 1.9 MHz.<br />
Piezo kristal ima na obeh ploščah<br />
elektrodi in na zunanji še /4<br />
“matching layer” ploščo, ki omogoča<br />
učinkovit prenos UZ energije na<br />
pacienta<br />
občutljivost<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
Q <br />
<br />
3 1<br />
večje dušenje<br />
manjše dušenje
Sklopitveni medij<br />
• Pri prenosu UZ med pretvornikom in vzocem<br />
bodo izgube najmanjše, ko uporabimo<br />
sklopitveni medij (gel) z akustično impedanco<br />
Zsklopitvni medij<br />
Zpretvornik Zvzorec<br />
Ultrazvočni žarki<br />
Majhen UZ<br />
pretvornik<br />
Veliko<br />
majhnih UZ<br />
pretvornikov,<br />
ki nihajo<br />
sočasno<br />
Velik UZ<br />
pretvornik<br />
Bližnja in daljna cona<br />
Bližnja in daljna cona<br />
Usmerjeno valovanje,<br />
številne interference<br />
Fresnelova (bližnja) cona<br />
D<br />
fresnel<br />
<br />
<br />
Fraunhoferjeva<br />
(daljna) cona<br />
2<br />
r<br />
<br />
sin 0.6<br />
<br />
r<br />
5 mm pretvornik<br />
Pri 2 MHz<br />
Frekvenca<br />
[MHZ]<br />
Valovna<br />
dolžina [cm]<br />
Fresnelova<br />
cona [cm]<br />
0.5 0.3 0.82 21.5<br />
1.0 0.15 1.63 10.5<br />
2.0 0.075 3.25 5.2<br />
4.0 0.0325 6.50 2.3<br />
8.0 0.0163 13.0 1.1<br />
Premer pretvornika<br />
[cm]<br />
Fresnelova cona<br />
[cm]<br />
0.25 0.83 10.6<br />
0.5 3.33 5.3<br />
1.0 13.33 2.6<br />
2.0 53.33 1.3<br />
Fraunhoferjeva<br />
divergenca [°]<br />
Fraunhoferjeva<br />
divergenca [°]
Pretvorniki z goriščno točko<br />
• Vbočena oblika UZ pretvornika<br />
• Uporaba UZ leč<br />
f <br />
r<br />
c<br />
<br />
c<br />
1<br />
m<br />
plankonkavna leča<br />
l<br />
Večelementni pretvorniki<br />
• Elemente lahko prožimo s fazno zakasnitvijo in tako<br />
spreminjamo smer žarkov<br />
• S časovno zakasnitvijo lahko dosežemo fokusiranje žarka<br />
“Phased array technology”<br />
Tipično 60-240 elementov v liniji<br />
Večelementni pretvorniki<br />
Večelementni pretvorniki
Linearni niz pretvornikov<br />
Dinamično usmerjanje UZ<br />
Dinamično fokusiranje UZ<br />
Ultrazvočni pretvornik<br />
• Zvok je usmerjen bodisi z obliko senzorjev, objektivom pred pretvornikom, ali pa<br />
kompleksnim nadzorom nad pulzi v nizu UZ oddajnikov v pretvorniku, ki omogočajo<br />
oblikovanje UZ snopa, ki se potuje v telo in se fokusira v želen globini.<br />
• Pretvorniki starejše tehnologije omogočajo usmerjanje pramena UZ s posebnimi<br />
objektivi, pretvorniki novejše tehnologije pa s pomočjo uporabe faznih tehnik<br />
omogočajo spremembo smeri in fokusno globino UZ snopa.<br />
• Materiali na površini pretvornika omogočajo, da se UZ učinkovito prenaša v telo.<br />
Običajno so to gumijaste prevleke z ujemanja impedance z impedanco tkiv. Poleg<br />
tega je med UZ pretvornikom in med bolnikovo kožo še dodan vodni gel, ki dodatno<br />
zmanjša impedančne razlike med pretvornikom in kožo.
Sonografski aparat<br />
Upodabljanje z ultrazvokom<br />
• Sonografski aparat<br />
ustvari sliko v treh<br />
korakih:<br />
– Ustvarjanje pulzov UZ<br />
valovanja<br />
– Sprejemanje odmeva UZ<br />
valovanja<br />
– Izračun slike iz zajetih<br />
odmevov<br />
Princip delovanja ultrazvočnega sonarja<br />
Amplitudni način (A-mode)<br />
Svetlostni način (B-mode)<br />
• Zaradi različne akustične impendance tkiv pride na meji tkiv<br />
do odboja valovanja in z merjenjem časa potovanja lahko<br />
določimo oddaljenost od meje.<br />
• 1D predstavitev<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
Poslani pulz<br />
A B C D<br />
• 2D predstavitev<br />
• Močnejši odboj, večja svetlost<br />
• Statično (povprečevanje) ali dinamično<br />
slikanje (24 ali 48 fps)<br />
oddajnik /<br />
sprejemnik<br />
Čas = globina
Gibajoči način (M-mode)<br />
• Prilagojen upodabljanju gibajočih struktur<br />
• Lega odmeva je predstavljena kot funkcija časa<br />
• Uporabno v echokardiografiji<br />
• Mirujoče strukture dajo ravne črte, gibajoče pa periodične<br />
krivulje<br />
Čas UZ slikanja<br />
• Oddajanje UZ pulza “pulse time” (PT)<br />
• Sprejemanje signala znotraj “pulse repetition<br />
period” (PRP)<br />
• Globina gledanja (DOV ali največji FOV)<br />
PRP PRPs<br />
FOV cm<br />
c <br />
2 13 s/<br />
cm<br />
• Čas slikanja “frame time” : FT = PRP * N<br />
• Hitrost slikanja “frame rate”<br />
FR <br />
<br />
6<br />
13 10 /<br />
1<br />
cm s FOV N<br />
Čas UZ slikanja<br />
Oprema<br />
• Primer: FOV = 10 cm, N = 120<br />
Oddajnik 10-100 V<br />
Sprejemnik μV<br />
zaslon<br />
trajni<br />
spomin<br />
PRP = FOV * 13e-6 s/cm= 10 cm * 13e-6 s/cm<br />
= 130 μs<br />
oddajnik<br />
Kontrolna<br />
enota<br />
dinamični<br />
spomin<br />
FT = PRP * N = 130 μs * 120 = 15.6 ms<br />
FR = 1/FT = 1/15.6 ms = 64 Hz<br />
TR<br />
sprejemnik<br />
procesor<br />
T
Procesiranje signalov<br />
Popačitve UZ slik<br />
• Signal iz večjih globin je bolj atenurian -> korekcija svetlosti<br />
“time gain compensation” TGC<br />
• Karakteristike TGC so uporabniško nastavljive in so različne od<br />
pacienta do pacienta<br />
• Pege<br />
objekti, ki so manjši od valovne<br />
dolžine na UZ slikah ustvarjajo pege<br />
• Senčenje objekti visoke atenuacije ustvarjajo sence<br />
za njimi, ki jih TGC ne more odpraviti<br />
• Več poti do sprejemnika vodijo poleg direktne poti<br />
še odbite, ki so daljše in zato nastanejo<br />
številne slike istega objekta v različnih<br />
globinah<br />
• Lom<br />
zaradi loma žarka lahko pride do zamika<br />
objekta v sliki<br />
Diagnostična ultrasonografija<br />
• Ultrasonografija je slikovna tehnika na osnovi<br />
ultrazvoka, ki omogoča vizualizacijo:<br />
– podkožnih struktur v telesu<br />
– Kit<br />
– Mišic<br />
– Sklepov<br />
– Žilja<br />
– notranjih organov<br />
• Z njo lahko odkrijemo za morebitne patologije ali<br />
poškodbe.<br />
Izbira frekvence UZ<br />
• Tipične diagnostične ultrazvočne naprave delujejo v frekvenčnem<br />
območju od 2-18 MHz. Te frekvence so več 100-krat večje od meje<br />
človeškega sluha.<br />
• Izbira frekvence ultrazvočne preiskave je pogosto kompromis med<br />
prostorsko ločljivostjo UZ slike in globino slikanja.<br />
• Nižje frekvence omogočajo nižjo ločljivost slikanja, a pro<strong>dr</strong>ejo globlje<br />
v telo.<br />
• Sonografija je učinkovita za slikanje mehkih tkiv telesa.<br />
– Za slikanje površinskih struktur se uporabljajo frekvence v območju od<br />
7-18 MHz, ki zagotavlja boljšo osno in prečno ločljivost.<br />
– Za slikanje globljih struktur, kot so jetra in ledvica, se uporabljajo nižje<br />
frekvence UZ, tipično v območju od 1-6 MHz, pri katerih je aksialna in<br />
lateralna ločljivost nižja, a globina prodiranja UZ valovanja večja.
Kardiologija<br />
Uporaba UZ v različnih po<strong>dr</strong>očjih<br />
medicine<br />
Urgentno medicino<br />
Gastroenterologijo<br />
Ginekologija<br />
Nevrologija<br />
Porodništvo<br />
Oftalmologija<br />
Urologija<br />
Mišično-skeletnega<br />
sistema<br />
Srce in ožilje<br />
Diagnosticiranje delovanja srca, prekatov in zaklopk<br />
Izliv krvi v trebušno votlino ali tekočine predel osrčnika.<br />
Odkrivanje žolčnih kamnov.<br />
Preiskave trebušne slinavke, aorte, jeter, žolča, ledvic in vranice.<br />
Za ocenjevanje pretoka krvi in stenoze karotidnih arterij.<br />
Spremljanje razvoja zarodka med nosečnostjo.<br />
Količina urina v bolnikovem mehurju. Preiskave prostate.<br />
Preiskave kit, mišic, živcev, vezi, mehkih tkiv, kosti in povrhnjice.<br />
Za oceno prehodnosti in morebitne zapore arterij in določi obseg<br />
in resnost venske insuficience.<br />
Terapevtska raba ultrazvoka<br />
• Ultrazvok se včasih uporablja za čiščenje zob v zobni higieni.<br />
• Ultrazvok virov, se lahko uporablja za omejeno segrevanje in<br />
povzročanje mehanskih sprememb v biološkem tkivu. Na primer v<br />
fizioterapiji in z<strong>dr</strong>avljenju raka.<br />
• Močno fokusiran ultrazvok se lahko uporablja za zelo lokalno<br />
segrevanje tkiv za z<strong>dr</strong>avljenje cist in tumorjev (benignih ali<br />
malignih). Ti metodi sta “Focused Ultrasound Surgery” (FUS) ali<br />
“High Intensity Focused Ultrasound” (HIFU). Za ti metodi se<br />
uporablja UZ nižjih frekvenc (od 250 kHz do 2000 kHz), vendar<br />
občutno višje energije. HIFU z<strong>dr</strong>avljenja pogosto vodijo z MRI.<br />
• Fokusirani ultrazvok lahko uporabljamo za razpad ledvičnih kamnov.<br />
• Ultrazvok se lahko uporablja za z<strong>dr</strong>avljenje sive mrene.<br />
• Odkrili so tudi, da UZ nizke intenzitete spodbuja rast in razvoj kosti.<br />
• Možnost uporabe za učinkovitejšo dostavo z<strong>dr</strong>avil preko krvnomožganske<br />
pregrade.
Change language