Ultrazvuk u medicini

Piezoelektricni efekat

Pierre Curie 1880i Jacques Curie

-eksperimenti sa turmalinom, kvarcom, topazom

-elektricitet usled trenja → polarnielektricitet

-pretvaranje mehaničke u električnu energiju i obrnuto

-Kelvin 1894 -teorija razumevanja PE efekta

-Prvi Svetski rat: praktična primena-sonarni uredjaji za otkrivanje podmornica

Piezoelektricni efekat

elastična deformacija → površinski napon

• Zvucni talasi u piezoelektricnimmaterijalima indukujuelektricni signal

• U detekciji zvuka-ehoa

Obrnuti piezoelektricni efekat

• Elektricna strujaizaziva vibracijepiezoelektricnogelementa

• Nastaju zvucni talasi

• 1881 Gabriel Lippmann

Osobine piezoelektricnih elemenata

dielektrici = izolatori

Piezoelektricni kristali – molekularni raspored kao elektricni dipoli→stvara se površinski napon

Transducer-materijal koji pretvara signale tj. konvertujeenergiju iz jednog u drugi oblik

• Quartz- SiO2–prirodni piezoelektricni materijal

• Piezoelektricni keramicki materijali-sinteticki

Ultrazvucni pretvaraci

Polarizacija piezoelektricnih materijala

• Vecina piezoelektricnih ultrazvucnih pretvaraca nisuprirodno `piezoelektricni`– Keramički materijali: olovo zirconate titanate

– Mikroskopski kristali

– Polimeri: polivinidilenski florid (PVDF)

• Moraju se polarizovati

Sinteticki keramicki kristali

-u prirodnom stanju nema PE osobine

-°t zagrevanja predje Curie °t (328-365°C)

(spontana polarizacija menja se u indukovanu

polarizaciju)

-dipoli se usmeravaju pod dejstvomnapona (struje)

Piezoelektricni keramicki kristali

ELEKTROSTRIKCIJA – pod uticajemelektricnog polja menjaju se dimenzije kristala

Ultrazvucne sonde

1. Medicinske

-dijagnosticke

-terapijske

2. Industrijske-magnetostriktivne, PE

-testiranje materijala, spojeva

-”čišćenje” materijala

-audio aparati …

Sonde

matching layer

Osnovni deo ultrazvucnog aparata

- emitovanje i prijem UZ talasa

Sonde sa jednim elementom-pretvaračem

Upotreba

-A-mode mašine

-Mehaničke sektorske sonde

Rezonancija na ½ talasne dužine

• Rezonantna frekvencija: frekvencija el. polja = frekvencija oscilacija PE → ↑amplituda UZ talasa

• Prirodna rezonantna frekvencija

d = ½ talasne duzine

• Brzina UZ u piezoelektricnim materijalima - 4620 m/s

f = c/λ

d = ½ λ (λ = 2d) za PC i PZT

f0 = c/2d

Debljina pretvaraca za f = 3MHz ?

d

Rezonantni PE elementi

Za 3 MHz rezonantna f sa d= 0,77mm

Za 5 MHz rezonantna f sa d =0,46 mm

↑ debljina elementa - ↑ λ - ↓ f

Frekvencija emitovanog UZ talasaodredjena je debljinom transdjusera

Prigušivacki blok

-Apsorbuje `backward` UZ i prigušuje vibracije

-Omogućava kratke prostorne pulseve (SPL)

-Omogućava čistu rezonantnu frekvenciju

-Omogućava UZ spektar velike širine

Prigusivacki blok

``Stavljanje sake na zvono-prestaje zvonjava``

Opseg frekvencija UZ pulsa -bandwith

• UZ puls-ima talase razlicitefrekvencije (kao snop svetlosti)

• Raspon UZ frekvencija u pulsu-bandwith

• Kratak (SPL) puls -širokfrekventni opseg

• Dugačak (SPL) puls -uzanfrekventni opseg

Multifrekventne sonde

• Moderne sonde koriste vise-raspona frekvencija

• Podesavanjem frekvencije el. struje menja se centralnafrekvencija emitovanog ehoa

Multi-Hertz

Modern, broad bandwidth

Q faktor

Q = MHz / BW (frekventni opseg)

Q `ring down time`:

odnos čistoće (preferirane) frekvencije i frekventnog opsega

Prigušivacki materijal → poboljšava aksijalnu rezoluciju

Prijanjajući sloj

Tanak sloj materijala

Izmedju elemenata transdjusera i povrsine koja se pregleda

Omogucava prianjanje

Minimizira razlike u akustičnoj impedanci izmedjutransdjusera i tkiva

Prijanjajući sloj -matching layer

Debljina prijanjajućeg sloja = ¼ λ UZ

• Njegova akustična impedanca i brzina su izmedju:PE – velika brzina 4620 m/s

mekog tkiva -brzina 1540 m/s

• Omogućava bolji prenos ehoa PE-pacijent-PE

• Povećava senzitivnost

Ultrazvucne sonde

1. Kontaktne

2. Imerzione

Kontaktni sloj-akustična brzina≈1500m/s

-ulje

-voda

-vodeni gel

Kontaktni sloj omogućava prenos UZ energije od transdjusera do ispitivanog tkivaEliminiše mehuriće vazduha (gubitaksignala)

Zapamtiti

UZ talasi nastaju i detektuju se u UZ sondi

Prirodna rezonantna frekvencija PE kristala određena debljinomelementa

Debljina prijanjajućeg sloja = ¼ λ UZ sonde

Kontaktni materijal- gel elimiše mehuriće vazduha i omogućavatransmisiju UZ talasa

Christian Huygens (1629-1695) Dutch Physicist

Fizika zvučnog snopa

• Huygen’s Principle

Christiaan Huygens čovek koji je započeo naučnu revoluciju !

holandski matematičar, astronom i fizičar

- postavio osnove integralnog i diferencijalnog računa

-tvrdio da se svetlost sastoji od talasa

-1655. otkrio je Saturnov mesec Titan

-napisao prvu knjigu o teoriji verovatnoće, koju je objavio 1657

-1657 patentirao sat sa klatnom - prekretnica u računanju vremena

-verovao u postojanje života u drugim svetovima

Huygens–Fresnelov princip -jednostavan model za razumevanje kretanjatalasa u prostoru

Ultrazvučna polja

Jedan izvor talasa Dva izvora talasa

Svetli prstenovi – rarefikacijaTamni prstenovi – zgušnjavanje, kompresija

UZ polje kod višestrukihnefokusiranih izvora talasa

Fresnel-ova zona

Deo polja u blizini površine sonde

izražene fluktuacije →neujednačenopolje

Fraunhofer-ova zona

deo polja udaljen od sonde

polje više ujednačeno

zvucni snop se širi radijarno

Talasni front nije ujednačen ni u Fraunhoferovoj zoni

Blisko polje- Fresnel-ovo polje

Dužina bliskog polja u mekim tkivima:

X = d 2/4λ

d2 (mm2). f (MHz)

↑bočna rezolucija → širina snopa ↓

Kraj bliskog snopa - ↑ bočna rezolucija

Pri sondi i u udaljenom snopu - ↓ bočna rezolucija

______________

4 . 1,54 mm/s

X (mm)=

površina sonde

Osobine UZ snopa

Udaljeno polje

Frauenhofer-ova zona →divergencija UZ snopa

Intenzitet UZ snopa ujednačeno opada sa distancom

UZ snop se širi tokom propagacije kroz tkiva

Fokusirani elementi-pretvarači

Sve dijagnostičke sonde !

Fokusirane:

-smanjuje širinu snopa

-fokus zona najbolje rezolucije

Fokusiranje linearnih sondi se postiže:

1.Elementima raspoređenim u luku

2.Akustičnim sočivima

Ultrazvučne sonde

Kontaktne medicinske sonde:

1. Površinske-transkutane

2. Endoluminalne

rektalne

vaginalne

ezofagealne

uretralne, ureteralne

intravaskularne

Ultrazvučne sonde

Redne

Fazne-real time

fokusirane

2 D

1,5 D

1. Linearne i konveksne

2. Anularne

od 2- 12 MHz

• 3,5 MHz penetracija 10-20cm

• 5 MHz penetracija 5-10cm

• 7,5 MHz penetracija od 2,5-5cm

• 10 MHz penetracija 1-4cm

Fokusirani pretvarači

Jedan elemenat

Fokus zona

-fokus čija je širina 2 puta i više -manja od fokus distance

Prednosti fokusiranog transdjusera:

-uzan UZ snop

-kraća fokus distanca

-veća bočna rezolucija

Redni elementi-pretvarači

• Mnogo malih PE elemenata

• PE elemenat sa kolomprijem-emisija UZ talasa=kanal

• Najčešće ima 128 kanala

Raspored transdjusera u sondi

Linearni raspored

256-512 elemenata

Sumultano aktiviranje

manje grupe elemenata (20)

Linearne sonde

Elementi u jednoj ravni

-pravougaona slika (FOV)

Aktiviraju se po grupama-elektronski

Snop paralelnih UZ talasa

Ogranicenja:

Velika, ravna površina

Površne strukture

Linearne sonde

Fokusiranje rednih linearnih i konveksnih sondi

• Fokusiranje

- samo u jednom pravcu ravni

perpendikularne na ravanpruzanja UZ snopa

Fokusiranje:

Elektronsko

Sočiva

Zakrivljenost redne površine

Konveksna sonda

Redno poređani PE elementi-na zakrivljenoj površini

Velika površina-emisije UZ talasa

Mala kontaktna površina

Pregled abdomena

Slika oblika- filtera za kafu

Konveksne i linearne sonde

Anularne sonde-sektorske

Sektorska sonda

Što manja kontaktna povrsina:

-ehokardiografija

-endoluminalne sonde

AnnularImage-plane beam width = slice thicknessElectronic focusing applies to both dimensions.

Anularne, sektorske sonde

• Fokusiranje kod anularne sonde sa koncentričnim prstenovima:

- radijarno

- u svim smerovima radijarne površineperpendikularne na UZ snop

Specijalne sonde

Najčešće:

vaginalne,

rektalne,

ezofagealne,

Sonde za intravaskularni ultrazvuk -IVUS

Fazne sonde

64-128 elemenata

Elementi se aktiviraju sukcesivno jedanza drugim

Transmisija UZ talasa kroz meka tkiva

Meka tkiva →transmituju razne oblike talasnog kretanja

Def: talasi su različiti vidovi oscilacija koji tokom propagacijezadržavaju stabilan oblik i ritam – ``wave modes``

Transmisija UZ talasa kroz meka tkiva

Vazduh - longitudinalni talasi (``density waves``)

kompresija-razređenje molekula

Atenuacija UZ talasa

Prolazeći kroz medijum intenzitet UZ talasa se smanjuje-atenuira se zbog:

1. Apsorpcije

2. Rasipanja

3. refleksija-odbijanje

4. refrakcije-prelamanje

5. divergencije-raspršivanja snopa

U srazmeri sa:

1. MHz2. Gustinom –vrstom tkiva3. Debljinom tkiva

UZ snopBočni UZ snopovi

Neželjena emisija energije UZ !

Bočno od glavnog snopa

Smanjenje bočnih UZ snopova:

-elementi male širine na periferiji

- ↓ amplitude perifernih u odnosu na centralneelemente

Rešetkasti UZ snopovi

UZ talasi koji se emituju sa periferije

Usled:

-brojnosti elementima u sondi

-diskontinuiteta površine sonde

Akustična impedanca

Mera kojom se medijum opire prenosu ehoa

Z = ρ . c Z → rayl=kg/m2/s

ρ -gustina materije kg/m3

c -brzina prenosa ultrazvucnog talasa m/s

Vazduh 331m/s

Jetra 1549 m/s

Slezina 1566 m/s

Misici 1568 m/s

Kost 3360 m/s

Refleksija→ bitan samo stepen razlike u akustičnoj impedanci

1540 m/s-smatra se konst. za meka

tkiva

C ultrazvuka zavisi od:1.Mase atoma2. Konstante opruge-Hook-ovzakon

Prikazi UZ slike- US modes

A mode - amplitude mode

B mode - brightnes-time mode

M mode - motion mode

Sector mode

Phase mode

A mode

-oftalmologija-tacno merenje distance

Distanca-Vremenska razlika između emitovanog i prijemareflektovanog talasa

Sonda miruje

Jedno-dimenzionalni prikaza

B mode- brightness mode

Slika preseka

Dubina-vreme od emisije do prijema reflektovanog

ehoa

Svetle tackeproporcionalne amplitudi reflektovanog

ehoa

Sonda se pomera preko objekta

Dvodimenzionalan prikaz preseka objekta

M modetime-motion mode

Registrovanje pokreta

-za evaluaciju brzih pokreta: valvula

2D prikaz pokreta u vremenu

skala sive boje

Bele linije - A reflektovanih ehoa

Dubina - vremenska razlika

Leva komora srca

M mode

Mitralna valvula Aortna valvula

Sector mode

Serija B skenova konstruise sliku

Slika –odsecak kruga

PE elementi-sonda:

-rotira se

-pokrece po povrsini