Υπέρηχοι Παραγωγή και ανίχνευση Πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο Κυματικά φαινόμενα Μηχανισμοί στη βιολογική επίδραση Ιατρικές Εφαρμογές Θεραπευτικές και

Transcript

1 Υπέρηχοι Παραγωγή και ανίχνευση Πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο Κυματικά φαινόμενα Μηχανισμοί στη βιολογική επίδραση Ιατρικές Εφαρμογές Θεραπευτικές και διαγνωστικές εφαρμογές Διαθερμία Οριακές τιμές ασφάλειας

2 Τι είναι οι υπέρηχοι; Ως υπέρηχοι χαρακτηρίζονται ήχοι των οποίων η συχνότητα βρίσκεται πέραν του ανωτάτου ορίου ακουστότητας του ανθρώπου που συμβατικά έχει οριστεί στα 20 khz. Υπέρηχοι μπορούν τεχνολογικά να παραχθούν μέχρι της συχνότητας των 10 9 Ηz. Εκτός από την υψηλή συχνότητα και το αντίστοιχα μικρό μήκος κύματος, οι υπέρηχοι έχουν μεγάλη ένταση (πχ 20 W/cm²), και σε συνδυασμό με τα υπόλοιπα κυματικά χαρακτηριστικά τους αξιοποιούνται σήμερα τόσο στην τεχνολογία των υλικών, όσο και στην ιατρική για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς.

3 Παραγωγή και ανίχνευση Μηχανικά, κάνοντας χρήση της σφυρίχτρας-galton ή της σειρήνας μπορούν να παραχθούν ήχοι μέχρι 200 khz. Αξιοποιώντας αντίστροφα το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, κατά το οποίο ένας κρύσταλλος, πχ από Χαλαζία πάλλεται ανάμεσα σε δύο πλάκες, όπου έχει εφαρμοσθεί μία εναλλασσόμενη ηλεκτρική τάση υψηλής συχνότητας. Οι υπέρηχοι που παράγονται έτσι φθάνουν τις συχνότητες της τάξης των 10 4 Hz. μέσω της μαγνητικής συστολής μπορούν να παραχθούν υπέρηχοι της τάξης των 50 khz. Σιδηρομαγνητικά σώματα (Νικέλιο, Σίδηρος) εξαναγκάζονται μέσα σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο σε ταλάντωση, της οποίας το πλάτος είναι σε συνθήκες συντονισμού ιδιαίτερα μεγάλο.

4 Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο κρυσταλλικά υλικά: χαλαζίας, θειικό λίθιο, τιτανικό βάριο, PZT κράμα μολύβδου, ζιρκονίου-τιτανίου, τουρμαλίνης, κρύσταλλος Rochele), κα. Ιατρικές συχνότητες: 1 15 ΜΗz

5 Παραγωγή και ανίχνευση υπερήχων πιεζοηλεκτρικά k 1 2 k d E d = πάχος δίσκου Ε = μέτρο ελαστικότητας υλικού ρ = πυκνότητα υλικού k = αρμονική, k = 0, 1, 2, 3,... Πχ για πάχος χαλαζία d=1mm στη βασική συχνότητα παράγονται υπέρηχοι συχνότητας: Συνήθης κεφαλή υπερήχων ν = Ηz = 2.84 MHz

6 ii

7 Ανάκλαση Διάθλαση Περίθλαση Σκέδαση Απορρόφηση Φαινόμενο Doppler Ακουστική αντίσταση Kυματικά φαινόμενα

8 Φαινόμενο Doppler ) (1 ' u v u v ) ( ' v u u v u u u ) ( ' v u v u α) πηγή ακίνητη-κινούμενος παρατηρητής: β) πηγή κινούμενη - ακίνητος παρατηρητής: Γενικά ισχύει: Κινούνται πηγή και παρατηρητής η μια προς την άλλη, γίνεται αντιληπτή μία συχνότητα διαφορετική της εκπεμπόμενης και μάλιστα μεγαλύτερη ή μικρότερη αντίστοιχα, εφ' όσον πηγή/παρατηρητής απομακρύνονται ή πλησιάζουν μεταξύ τους u η ταχύτητα διάδοσης στο μέσον

9 Ανάκλαση, Απορρόφηση o συντελεστής ανάκλασης της έντασης α (intensity reflection coefficient) Λόγω της σχέσης πλάτους - έντασης (Ι ~ Α²) a I I i r ( Z ( Z 2 2 Z Z 1 1 ) ) 2 2 R A Z Z 2 2 Z Z 1 1 πχ Ζ 1 αέρας, Z 2 ιστός λόγω Ζ ζελέ = Z ιστου, => R=0 Ζ = ρ c = ακουστική αντίσταση αν Z 1 = Z 2 ---> R = 0 και ---> T >> 0 αν Ζ 2 < Z 1 ---> R > 0 Διαχωριστική α σε [%] επιφάνεια Αίμα εγκέφαλος 0.3 νερό εγκέφαλος 3.2 αίμα λίπος 7.9 μυς - λίπος 10.0 μυς - οστά 64.6 εγκέφαλος - οστά 66.1 νερό - οστά κεφαλής 68.4 αέρας - ιστός 100.0

10 Απορρόφηση I(x) Ένταση σε βάθος x, Ι ο αρχική ένταση για x = 0 --> Ι = Ι o I ( x) I 0 e 2ax

11 Παράδειγμα: Εξασθένηση υπερήχων. Να υπολογιστεί η εξασθένηση της έντασης υπέρηχου συχνότητας 0.6, 1.6 και 3.5 MHz, σε βάθος 1 cm στα οστά. υλικό συχνότητα σε [ΜΗz] Συντελεστής απορρόφησης α σε [cm -1 ] ΒΥΔ [cm] βάθος υποδιπλασιασμού της έντασης Μύες λίπος εγκέφαλος οστά νερό To BYΔ (βάθος υποδιπλασιασμού της έντασης) για συχνότητα 0.6 ΜΗz με βάση τον παραπάνω πίνακα είναι 0.95 cm, δηλ. περίπου 1 cm. Έτσι η ένταση σ αυτό το βάθος, εξ ορισμού θα έχει μειωθεί στο μισό της αρχικής τιμής της (εξασθένηση κατά παράγοντα 2 1 ). Το ΒΥΔ για τις άλλες δύο συχνότητες είναι 0.11 cm και cm, τα οποία αντιστοιχούν στο 1 cm περίπου σε 9 ΒΥΔ και σε 20 ΒΥΔ, ήτοι μία εξασθένηση της έντασης κατά παράγοντα 1/2 9 και 1/ 2 20 Αυτό σημαίνει, ότι για αυτές τις δύο συχνότητες η συνολική ένταση του υπέρηχου θα έχει σχεδόν μηδενισθεί σε βάθος 1 cm οστού.

12 Λύση: Άσκηση: Απορρόφηση υπερήχων Ποιο ποσοστό επί τοις εκατό υπερήχων ανακλάται και ποιό διέρχεται εάν υπέρηχοι συγκεκριμένης έντασης πέσουν στην διαχωριστική επιφάνεια μυ και οστού ; (Ζ μυ = Κg m -2 s -1, Z oστούν = Κg m -2 s -1 ); a I I r i a ( Z ( Z Z Z 1 1 ) ) 2 2 x 100 (610 ( % ) ) 2 2 Kg m [ Kg m 2 2 s s 1 1 ] 0.31 t 1 - a100% 31% 69% H διερχόμενη ένταση t ισούται με την αρχική μείον την ανακλώμενη ένταση α Με δεδομένα: α = συντελεστής ανάκλασης, t = συντελεστής διαπερατότητας, Ζ = ρ c = ακουστική αντίσταση, Ι r = ένταση ανακλώμενη και I I = ένταση προσπίπτουσα ακτινοβολίας

13 Μέθοδος Doppler: μέτρηση ταχύτητας ροής αίματος H συχνότητα του ανακλώμενου κύματος διαφέρει κατά τι από την συχνότητα του εκπεμπόμενου κύματος, εφ' όσον προέρχεται από ανακλαστική επιφάνεια, η οποία κινείται σε σχέση με τον μεταλλάκτη. Η καταγραφόμενη διαφορά συχνοτήτων συσχετίζεται με την ταχύτητα ως εξής v v ( 2v cos) v c c ( 2 cos) v Παράδειγμα: Τα κινούμενα ερυθρά αιμοσφαίρια στα αγγεία ανακλούν κύμα ΥΗ που στέλνεται από μία πηγή. Από την διαφορά των συχνοτήτων και λύνοντας την παραπάνω σχέση ως προς v μπορεί να μετρήσει κανείς την ταχύτητα που έχουν. c = 1560 m s -1. Στέλνεται ένα κύμα ΥΗ ν = 2 ΜΗz η καταγραφόμενη διαφορά συχνοτήτων Δν = -12 Ηz αντιστοιχείται σε μία ταχύτητα των ερυθρών αιμοσφαιρίων: v = m s -1

14 Μηχανισμοί στη βιολογική επίδραση 1. Η μηχανική επίδραση που προκαλείται από την ρυθμική ταλάντωση στην οποία υποβάλλονται περιοχές του σώματος που σε συνδυασμό με την αποδιδόμενη ενέργεια έχει σαν επακόλουθο συμπιέσεις και απόσυμπιέσεις σε υπομικροσκοπικές διαστάσεις (Μικρομασάζ Υπερήχων). 2. Η θερμική επίδραση, που προκαλείται συνέπεια της απορρόφησης μηχανικής ενέργειας, μπορεί δε να χαρακτηριστεί και σαν δευτερεύον παράγωγο της μηχανικής επίδρασης. Ακριβείς πληροφορίες όμως σχετικά με την κατανομή της θερμοκρασίας στους διάφορους ιστούς κατά την διάρκεια μιας Υπερηχοθεραπείας δεν υπάρχουν. 3. Η χημική και φυσικοχημική επίδραση: Θεωρείται σαν επακόλουθο της μηχανικής και θερμικής δράσης των Υπερήχων, οι οποίοι προκαλούν φαινόμενα Οξείδωσης και Αναγωγής, επιφέρουν μεταβολές στην διάχυση των ουσιών, οσμωτικές επιδράσεις, μεταβολές στη τιμή του ph μικροπεριοχών.

15 Θεραπευτικές εφαρμογές Λιθοτριψία : Σε εντάσεις ακτινοβολίας 10 3 W/cm² είναι δυνατή μία επιλεκτική καταστροφή των ιστών στο επιθυμητό βάθος με εστίαση των ΥΗ που προέρχονται από διαφορετικούς μεταλλάκτες (transducer) Οι επιμέρους ακτινοβολίες συγκλίνουν και εστιάζονται στο σημείο προσβολής, με την μέγιστη ένταση τους.

16 Θεραπευτικές εφαρμογές Διαθερμία υπερήχων : Είναι η πλέον αποδοτική μέθοδος διαθέρμανσης των οστών και αρθρώσεων Χρησιμοποιούνται σε αρθρίτιδες, στην θεραπεία παθήσεων κλειδώσεων και αγκυλώσεων. Στην κλείδωση για την απομάκρυνση (μηχανικά) εναποτιθέμενου ασβεστίου. Στην αντιμετώπιση πόνων μέσης και ώμου. Στην επίταση της αιμάτωσης προσβεβλημένων οργάνων γενικά.

17 Άσκηση: Διαθερμία υπερήχων Υπολόγισε την ανύψωση της θερμοκρασίας που θα παρουσιάσει σε χρονικό διάστημα 1 s ιστός (α = 0.05 cm -1 ) σε βάθος 1 cm από την διαθέρμανσή του με υπερήχους ν = 1 ΜHz και έντασης Ι 0 = 1 W cm -2. Λύση: Δεδομένα: Η μάζα και η ειδική θερμότητα του ιστού είναι κατά προσέγγιση όση και του νερού: (m=1g/cm 3, c=1cal/g grad) I I 0 e ax I Η απορροφηθείσα ένταση υπερήχων είναι : I 0 e 0.95 I -0.05cm1cm 0 Ι abs = Ι Ι 0 = 0.05 Ι 0 = 0.05 W cm -2 I S t 0.05W cm mc 0.05 J 4.2J K cm C 2 1 s 0.05 J

18 Θεραπευτικές εφαρμογές Ένα τυπικό πρόγραμμα θεραπευτικής αγωγής Προβλέπει, ανάλογα με την περίπτωση, την χρήση: εντάσεων μερικών W/cm² διάρκεια 3-10 λεπτών για και για μια ή δυο φορές ημερησίως, έως τρεις φορές την βδομάδα.

19 Διαγνωστικά Εφαρμογές H εφαρμογή των υπερήχων στην κλινική ιατρική βασίζεται στις τέσσερις σημαντικές ιδιότητες αυτών των μηχανικών κυμάτων: α) Οι υπέρηχοι μπορούν να διαδίδονται σε όλα τα υλικά. β) Το μήκος κύματος λ των υπέρηχων μπορεί να επιλεγεί μέσω της συχνότητας ν του πομπού έτσι ώστε να είναι μικρότερο από τις διαστάσεις των εμποδίων που θα συναντήσει το κύμα κατά την διάδοσή του. γ) Στις οριακές επιφάνειες δύο υλικών, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το γινόμενο της φασικής ταχύτητας c επί την πυκνότητα ρ του υλικού, συμβαίνει ανάκλαση του κύματος. δ) Υπέρηχοι απορροφούνται στα διάφορα υλικά σε διαφορετικό βαθμό.

20 Διαγνωστικές Εφαρμογές 1. Α-Σάρωση (Scan): Το σήμα που δημιουργείται από την ανάκλαση του ΥΗ-κύματος παρασταίνεται στην οθόνη (ή μόνιτορ) ενός παλμογράφου ως κατακόρυφη εκτροπή, ενώ ο χρόνος που μεσολάβησε ως η αντίστοιχη οριζόντια συνάρτηση. 2. Β-Σάρωση (Scan): Το σήμα που προκύπτει από την ανάκλαση εμφανίζεται πάλι στην οθόνη σαν συνάρτηση του χρόνου διαδρομής, όμως πλέον ως φωτεινό σημείο, της οποίας η φωτεινότητα είναι ανάλογη της έντασης Ι του ΥΗ-κύματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγάλη ανάκλαση να δημιουργεί ένα έντονα φωτεινό σημείο στην διάσταση του χρόνου, μικρή ανάκλαση ένα σχετικά ασθενές σημείο. Στο έγχρωμο μόνιτορ η διαβάθμιση της έντασης παριστάνεται με διαφορετικό χρώμα. 3. ΤΜ-Σάρωση (Scan): Οι ΥΗ-παλμοί εκπέμπονται σε σταθερά χρονικά διαστήματα έτσι ώστε οι ανακλάσεις να επικαλύπτονται. Μετακινείται η διαχωριστική επιφάνεια μέσα στο σώμα, μετακινείται αυτόματα και η ανάκλαση (η ηχώ) πάνω στον άξονα του χρόνου στην οθόνη.

21 Α-Scan (Σάρωση) Διαγνωστικά Εφαρμογές

22 ΤΜ-Scan (Σάρωση)

23

24 H αρχή του τρόπου λήψης Β-Scan και Β-εικόνας

25 Σχηματικό διάγραμμα ενός τυπικού διαγνωστικού οργάνου υπερήχων

26

27 Σύγκριση ανάμεσα στη διαδικασία εντοπισμού με την ηχώ στην ναυτιλία και στην ιατρική

28 Οριακές τιμές ασφάλειας Παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη: ο χρόνος έκθεσης και η ένταση της ακτινοβολίας υπερήχων Στη διαγνωστική ιατρική χρήση το όριο ασφάλειας είναι : I t J cm

29