Ιατρική Υπερηχογραφία: Φυσικές αρχές και οργανολογία
Περίληψη Ιστορία Τρόπος διάδοσης ήχων, Ηχητικό φάσµα Εξασθένηση των υπερήχων Πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο Πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι Σχεδιασµός µεταλλακτών έσµες Υπερήχων Fresnel Fraunhofer Συστήµατα σάρωσης Ποιότητα εικόνας στην Υπερηχοτοµογραφία Τρόποι απεικόνισης Doppler
Ιστορία 1794 Spallanzi υπέδειξε ότι οι νυχτερίδες λειτουργούν µε υπέρηχους 1880 Pierre and Jacques Cuirrie Πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο 1ος Παγκόσµιος Πόλεµος Paul Langevin ανάπτυξη Πιεζοηλεκτρικών υλικών για SONAR, 2ος2 Παγκόσµιος Πόλεµος 1928 Ο Solokov βιοµηχανική εφαρµογή των υπερήχων για την ανίχνευση ατελειών σε υλικά 1930 θεραπευτικές εφαρµογές 1940 (τέλος( τέλος) ιαγνωστικές εφαρµογές
Τρόπος διάδοσης ήχων Ταχύτητα διάδοσης ήχου c= λ ν c = (K / ρ ο ) 1/2 K: Συντελεστής ελαστικότητας ρ ο : Μέση πυκνότητα µέσου Ελαστικά κύµατα Μέσο διάδοσης ιαµήκη κύµατα Στο κόκαλο c= 3360 m/sec Στο ιστό c= 1540 m/sec
Ηχητικό φάσµα Βαθύς ήχος Ζώα 20Hz 20KHz 2MHz 200MHz Infrasound Acoustic Ultrasound Συχνότητα (Hz) 20Hz-20KHz 20KHz >20Κ Hz 1ΜHz - 30ΜHz Ακουστικό φάσµα Υπέρηχοι Ιατρική διάγνωση
Ανατοµική Ωτός
Sound power Power = Pressure X Volume velocity* (Power = Voltage X Current Intensity) Volume velocity = P A u Vu = A x S t Vu = A x u s *how much particle volume (air molecules) flows through a given area
Μέσο ους Cochlea increases sound pressure at the footplate relative to the TM at the expense of a decrease in stapes volume velocity relative to the TM Ear canal 1. Hydraulic lever 2. Ossicular lever
The hydraulic lever Assumption 2: stapes moves like a piston coupling P1 A TM A S P2 Assumption 1: TM moves as a rigid body P2 = P1 x A ΤΜ /A S A TM /A S = 20 -> 26 db
Ένταση Υπερήχων I = Iσχύς Eπιϕάνεια watt 2 /cm db= 10log 0 I I Power db = 10log = 10log Power 0 Energy Energy 0 Μεγαλύτερη ευαισθησία στην τάση I 2 Pm = 2ρc db= 10log P 2 / 2ρc 2 m m m m 2 ( Pm ) / 2ρc Pm0 Pm0 Am0 0 P = 10log P m Η µέγιστη πίεση Pascals, atmosperes = 20log P = 20log A Τάση σε Volts
Εξασθένηση των υπερήχων Υπέρηχοι Σκέδαση Επιφάνεια Απορρόφηση Ακουστική εµπέδιση γωνία ιάθλαση Ανάκλαση
Ανάκλαση ιάθλαση Ακουστική εµπέδηση Προσπίπτουσα θi θr Ανακλώµενη Z = ρc Ιστός Z1 sinθ sinθ i = t c c 1 2 ρ= πυκνότητα c= ταχύτητα διάδοσης Ιστός Z2 Z µονάδα Kgr/(sm 2 )=Rayl θt Για κάθετη πρόσπτωση ιαθλώµενη a a R T = = Z Z ( Z + Z ) 2 2 2 2 4Z Z + Z 2 Z 1 1 1 1 2
Ανάκλαση ιάθλαση a a R T Z2 Z = Z2 + Z 4Z2Z1 = ( Z + Z ) 2 2 1 1 1 2 Στην διαχωριστική επιφάνεια Μυς-αέρας α R =0.9995 και α T =0.0005 99.95% της ενέργειας ανακλάται Για καλύτερη ακουστική σύζευξη χρησιµοποιούνται υλικά βασισµένα στο νερό
Συντελεστής εξασθένησης σε συνάρτηση µε την συχνότατα
Πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο Συντελεστής Ηλεκτροµηχανικής Σύζευξης K 2 C Μηχανική Ενέργεια που µετατρέπεται σε Ηλεκτρική = Εφαρµοζόµενη Μηχανική Ενέργεια όταν εφαρµόζεται µηχανική ενέργεια (πίεση) K 2 C Ηλεκτρική Ενέργεια που µετατρέπεται σε Μηχανική = Εφαρµοζόµενη Ηλεκτρική Ενέργεια όταν εφαρµόζεται ηλεκτρική ενέργεια
Πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι Θερµοκρασία Currie: H Θερµοκρασία πέραν της οποίας ο κρύσταλλος παύει να έχει Πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες Υλικό Χαλαζίας Συντελεστής Ηλεκτροµηχανικής Σύζευξης (K c ) 0.11 Θερµοκρασία Currie ( 0 C) 550 Άλατα Rochelle 0.78 45 Βαριούχο Τιτάνιο 0.30 120 Τιτανιούχος Ζιρκονιούχος Μόλυβδός (PZT-4) 0.70 328 Τιτανιούχος Ζιρκονιούχος Μόλυβδός (PZT-5) 0.70 365
Σχεδιασµός µεταλλακτών Τυπικός Transducer Κρύσταλλος πάχους d Ηλεκτρόδιο Απορροφητικό υλικό Υλικό ακουστικής σύζευξης Πλαστικό κάλυµµα Συχνότητα µεγιστοποίησης πλάτους fo= = c / 2d
έσµες Υπερήχων Επίπεδα κύµατα Σφαιρικά κύµατα Συµβολή
έσµες Υπερήχων Fresnel Fraunhofer θ d Ζώνη Fraunhofer D Ζώνη Fresnel D= d 2 /4λ sin θ= 1.22 λ /d Το µήκος του κοντινού πεδίου αυξάνεται µε την διάµετρο του µεταλλάκτη και τη συχνότητα. Η απόκλιση στο µακρινό πεδίο µειώνεται µε την αύξηση της διαµέτρου του µεταλλάκτη και της συχνότητας
Μεταλλάκτες Transducers
Στοιχεία εστίασης Ακουστικοί καθρέπτες, φακοί Κοίλοι µεταλλάκτες Καθρέπτες Εποξική ρητίνη µε βολφράµιο Φακοί, εποξική ρητίνη και πλαστικά όπως πολύστιρένιο
Εστίαση f = 1 r c Mc L f:µήκός εστίασης c M ταχύτητα ήχου στο µέσο c L ταχύτητα ήχου στο φακό r: ακτίνα µεταλλάκτη d διάµετρος µεταλλάκτη Μήκος ζώνης f εστίασης = 10λ d 2
Συστήµατα σάρωσης Μηχανική σάρωση Μηχανική σάρωση (α) Στροφική κίνηση µεταλλακτών (β) Στροφική ταλάντωση κατόπτρού
Συστήµατα σάρωσης Ηλεκτρονική σάρωση
Ποιότητα εικόνας στην Υπερηχοτοµογραφία Χωρική διακριτική ικανότητα (α) Αξονική διακριτική ικανότητα axial resolution Εξαρτάται από το µήκος κύµατος λ (β) Εγκάρσια διακριτική ικανότητα lateral resolution Εξαρτάται από το πλάτος του παλµού L=λ/2 3ΜΗz µαλακού ιστού λ=0,5mm 15 ΜΗz µαλακού ιστού λ=0,15mm Μεγαλύτερη f, µεγαλύτερη εξασθένηση US
Τρόποι απεικόνισης A-Mode (Amplitude Mode)
B-Mode M - Mode
Doppler effect 1842 Johann Christian Doppler Όταν υπάρχει κίνηση µεταξύ πηγής κύµατος και ανιχνευτή, η συχνότητα του ανιχνευόµενου κύµατός διαφέρει.
Συχνότητα Doppler
Επίδραση της γωνίας Doppler
Color flow imaging
Triplex scanning B-Mode, Color flow, Spectral Doppler
είκτες ταχύτητας ροής
Απεικόνιση ροής Color flow Spectral Doppler Περιορίζεται η µελέτη σε µια µικρή περιοχή Μελέτη ροής σε µια θέση Μικρή χρονική ανάλυση (fr χαµηλό όταν χρειάζεται σε βάθος σάρωση ) Περιορισµένες πληροφορίες ροής Καλή χρονική ανάλυση, µελετά κυµατοµορφή ροής Επιτρέπει υπολογισµούς της ταχύτητας και άλλων δεικτών