Fyzika ultrazvuku se zaměřením na medicínu

Transkript

1 Fyzika ultrazvuku se zaměřením na medicínu pro studenty 1. ročníku všeobecného lékařství LF UP 2006/7 odb. as. Ing. Ladislav Doležal, CSc. ladol@tunw.upol.cz

2 Co to je ULTRAZVUK Mechanické kmity prostředí Frekvence >20kHz Infrazvuk 20Hz Zvuk 20 khz Ultrazvuk

3 Ultrazvukové pole Vlny frekvence, rychlost šíření, vlnová délka směršíření, prostorové rozložení vln amplituda, útlum, akustická rychlost Energie intenzita, útlum prostorové rozložení energetického pole

4 Harmonické kmity Mechanické A Vlny na moři Seismické vlny Zvukové vlny Elektromagnetické Radiové vlny Paprsky X Záření γ Světlo A(t)=A 0 sin(ωt + ϕ) t

5 Harmonické kmity Netlumené konstantní rozkmit modulace Tlumené zmenšující se rozkmit A(t)=A 0 sin(ωt + ϕ) A(t)=A 0 e -kt sin(ωt + ϕ)

6 Harmonické kmity netlumené modulované Frekvenčně mění se frekvence Amplitudově mění se amplituda impulzy kmitů

7 Harmonické kmity netlumené modulované Amplitudově impulzy kmitů T T = doba trvání impulzu Tp = perioda opakování impulzů

8 Harmonické kmity Vlnění prostředí příčné / podélné Směr šíření Zdroj Živé tkáně - jen podélné vlny - jako v tekutinách

9 Harmonické podélné kmity Poloha částic Výchylka x Akustická rychlost v Akustický tlak p

10 Harmonické kmity - frekvence frekvence počet kmitů za sekundu Zdroj UZV Akustický tlak p [Pa] f = 1 [ Hz] ČAS T T = perioda [s]

11 Harmonické kmity - délka vlny Vliv prostředí rychlost šíření c vlnová délka λ c λ = = c T m f c = konstanta C [ms -1 ] Čas Pozor! C NENÍ rychlost světla! X [mm]

12 Vliv vlastností prostředí Hustota ρ Modul pružnosti K, E Akustická impedance Z Rychlost šíření c c = K ρ [ ] m s = c kg m s Z ρ 2 Pružnost není poddajnost Z = K ρ Z = P V 0 0

13 Rychlost šíření UZV v prostředí Materiál Rychlost šíření m/s Vzduch 330 Voda 1480 Hliník 6400 Olovo 2400

14 Rychlost šíření UZV v prostředí Materiál Rychlost šíření m/s Plíce 600 Tuk 1460 Játra 1510 Ledviny 1550 Sval 1600 Oční čočka 1620 Lebeční kost 4080 Rychlost šíření UZV v měkkých tkáních je cca 1550 m/s λ pro frekvenci 1MHz je 1,55 mm

15 Vyzařované pole měniče generátor λ generátor >> λ

16 Energie ultrazvukových vln Intenzita UZV energie Energie vlnění W, která projde za jednotku času jednotkovou plochou, kolmou ke směru jeho šíření. Pro harmonický signál: 2 p I = 2ρc [ 2 ] W / m ρc = Z I = dw ds 1 t [ ] W / m 2 Čas

17 Vyzařované pole měniče - zjednodušený tvar Φ D F Oblast: Fresnelova Fraunhoferova F 2 D 4λ λ D = [ m] Φ = arcsin 1,22 [] o

18 Vyzařované pole měniče Charakteristické parametry Frekvence ultrazvuku (vlnová délka) Průměr měniče 2a Ohnisková vzdálenost Blízká (Fresnelova) oblast Vzdálená (Frauenhoferova) oblast Ukázka UZV vln

19 Vyzařovací charakteristika měniče Rozložení intenzity UZV energie v polárních souřadnicích - vyzařovací charakteristika

20 Rozložení energie v prostoru a čase I SATA I SPTA I SATP I SPTP I - intenzita S spatial prostorově T temporary časově P peak špičková A average - průměrná

21 Útlum UZV energie Vlastnost materiálu disperze interference absorpce P I x x = = P I 0 0 e e α x 2α x Koeficient útlumu Poloviční hloubka vniku α = x 2 1 x 1 ln P P 1 2 ; [ ] 1 m d 1 2 = ln 2 2 α ; [ ] m

22 Útlum - frekvenční závislost Ve tkáni savců a při frekvenci jednotek MHz α = α f 2 Konflikt rozlišovací schopnosti a dosažitelné hloubky zobrazení.

23 Útlum - jednotky I P db = 10 log db = 20 log I 0 P 0 I W 0 m 2 5 = P = 2 10 Pa 0

24 Útlum UZV energie I nebo P [db] Útlum xdb Koeficient db/cm Hloubka [cm]

25 Dopad na rozhraní kolmo reflexe - koeficient transmise - koeficient Z 1 Z = = = Z Z Z Z P P I I r i r i r I = = = Z Z Z Z P P I I t i t i t I Je-li Z 2 >Z 1, pak I t > I i zvětšení amplitudy akustického tlaku.

26 Koeficienty odrazu tkání Rozhraní tkání LEDVINY- JÁTRA 0,006 0,00004 r P JÁTRA - SVAL 0,018 0,0003 TUK - JÁTRA 0,10 0,01 SVAL - KOST 0,64 0,41 SVAL - VZDUCH -0,99 0,98 r I

27 Dopad na rozhraní pod úhlem θ Lom postupujícího vlnění Snelliův zákon Z 1 c 1 sinθ sinθ c c i 1 = = t 2 n 1,2 Z 2 c 2 Relativní index lomu n 1,2

28 Dopplerův jev

29 Výpočet frekvenčního zdvihu f p Δf = = 0 f 0 frekvence vyslaná f P frekvence přijatá v rychlost odražeče c rychlost šíření ultrazvuku f + Δf 2 f v cos Θ 0 c

30 Generování ultrazvuku Měniče - působí tlakem na prostředí piezoelektrické magnetostrikční jiskrové Měnič Tkáň

31 Piezoelektrický jev 1880 bratři Curie Materiál Přírodní ( např. Segnetova sůl) Umělé - PZT keramika (zirkon titanát olovnatý) Piezoelektrický jev přímý (vlastní) nepřímý

32 Syntetické pizoelektrické matriály Jsou citlivější Mohou mít potřebný tvar Musí být polarizovány Curiova teplota Vysokénapětí

33 Přímý a nepřímý piezoelektrický Přímý Síla jev Nepřímý Síla

34 Výkonové měniče

35 Konstrukce ultrazvukové sondy Měnič

36 Vlastnosti generovaného ultrazvuku Tloušťka měniče - ovlivňuje frekvenci Tlumeníměniče - ovlivňuje délku trváni impulzu

37 Použití ultrazvuku v medicíně terapie fyziatrie, chirurgie, stomatologie, litotrypse diagnostika zobrazování, měření vzdálenosti a rychlosti detekce pohybu a hladin tekutin budoucnost - diferenciace tkání čištění laboratoře - dezintegrace tkání

38 Účinky ultrazvuku na tkáň Mechanické vibrace mikrocirkulace Tepelné Chemické Kavitace (kaverny)

39 Kavitační bublina Důsledek návaznosti fáze negativního a pozitivního tlaku v kmitu. Rozměry na úrovni molekul, tlak řádově 10 3 MPa, teplota 10 3 `C doba trvání dána periodou kmitů max50 μs pro 20kHz

40 Terapeutické účinky ultrazvuku Mechanické mikrovibrace mikroproudění Tepelné přeměna energie Chemické urychlení chemických reakcí Hlavice

41 Příklad terapeutického přístroje Generátor ultrazvuku pro fyzioterapii

42 Ultrazvukový terapeutický přístroj

43 Počítačem řízený ultrazvukový terapeutický přístroj

44 Příklad terapeutického přístroje Litotryptor s jiskrovým generátorem

45 Moderní lithotripter

46 Aplikátor ultrazvukového odstraňovače zubního kamene Pramen: URL:

47 Příklady aplikace výkonového ultrazvuku Dehomogenizátor Čističky

48 Kontraindikace UZV terapie akutní tromboflebitida akutní záněty kůže tumory kůže a kostí těhotenství

49 Pro dnešek stačilo, děkuji za pozornost a nashledanou za týden.

50 Použití ultrazvuku v medicíně terapie fyziatrie, chirurgie, stomatologie, litotrypse diagnostika zobrazování, měření vzdálenosti a rychlosti detekce pohybu a hladin tekutin budoucnost - diferenciace tkání čištění laboratoře - dezintegrace tkání

51 Diagnostické aplikace Zobrazovací metody (sonografie) Měření průtoků Detektory srdeční akce plodu Tloušťkoměry (kalipery) Detektory hladin tekutin Aplikovaná intenzita do 100 až 760mW/cm 2 podle typu tkáně

52 Přehled sonografických vyšetření

53 Sonograf Monitor Sonda Gel

54

55 Rozdíl mezi RTG a UZV zobrazením Fantom RTG UZV

56 Princip sonografu

57 Způsoby zobrazení A-způsob (mód) B-způsob (mód) statický ( složený ) dynamický TM-způsob (mód) C-způsob (mód) Kombinovaný (A+B, B+TM)

58 Časování budícího signálu Délka pulzu Perioda pulzu

59 Princip vzniku zobrazovaného signálu - A obraz D = 2 1 c T [ m]

60 Zobrazení struktur - A obraz

61 A, B a TM způsob zobrazení EKG LK LK End systola LS

62 Příklad zbrazení A-způsobem

63 Složený 2D B obraz

64

65 Vznik 2D obrazu v B-módu

66 Převod amplitudy na jas B-způsob - bistabilní obraz Rozhodovací hladina

67 Složený bistabilní B obraz

68 Převod amplitudy na jas B-způsob - stupnice šedi

69 B-obraz ve stupních šedi

70 Systém vytváření 2D obrazu Obraz Složený Sektorový Konvexní Pravoúhlý (lineární) Mechanické sondy Elektronické sondy

71 Elektronické sondy 2D

72 Mechanická sonda 2D

73 Transezofageální sonda

74 C-způsob zobrazení

75 Princip vytváření 3D sonogramu Zobrazovací roviny

76 Problémy 3D sonografie Časová rozlišovací schopnost Časová náročnost dodatečného vyšetření (sono není CT) Cena

77 3D sonda Způsoby vytváření elektronická kombinovaná Volná sonda s programem pro uložení sekvence elektronická nebo mechanická Volná sonda se snímačem polohy elektronická nebo mechanická

78 Sonda 3 D

79 Ukázka 3D sonogramu plodu

80 Ukázka 3 D sonogramu srdce Sejmuto z nabídky Mayo kliniky v Internetu

81 Ultrazvukové průtokoměry

82 Ultrazvukové průtokoměry Dopplerův jev Neinvazivní metoda měření rychlosti toku krve Ve spojení se sonografii (duplexní sonografie) - měří objemy průtoku Barevné mapování toků -orientace vtopologii krevního řečiště

83 Dopplerův jev

84 Dopplerův jev

85 Dopplerův jev 1. Zdroj - pozorovatel 2. Zdroj - odrážeč - pozorovatel

86 Měření rychlosti toku krve Dopplerův zdvih od odrážeče

87 Výpočet frekvenčního zdvihu f p Δf = = 0 f 0 frekvence vyslaná f P frekvence přijatá v rychlost odražeče c rychlost šíření ultrazvuku f + Δf 2 f v cos Θ 0 c

88 Proudění laminární a turbulentní

89 Znázornění spektra rychlostí

90 Příklad rychlostního spektra

91 Způsoby snímání průtoku CW (continual wave) Doppler 2 měniče snímáprůtok v celé hloubce PW (puls wave) Doppler 1 měnič střídá vysílání / příjem snímáprůtok v definovaném vzorkovacím objemu

92 Schema CWD systému

93 Kontinuální Doppler (CW)

94 Pulzní Doppler (PW)

95 Vliv úhlu Θ mezi směrem toku a směrem šíření ultrazvuku

96 Vliv úhlu ϕ na ΔF

97 Korekce rychlosti na uhel ϕ

98 Princip CFM a PD 15 0, , sin 2 α sin α

99 CFM versus PD CFM - Colour Flow Mapping Autokorelační analýza Rychlá Fourierova transformace Vzájemná korelace v časové doméně STŘEDNÍ RYCHLOST PD - Power Doppler Výkonové spektrum rychlostí

100 CFM - tok k sondě

101 PD - tok k sondě i od sondy

102 Duplexní zobrazení CFM Willisův okruh

103 Duplexní zobrazení Power Doppler Willisův okruh

104 Triplexní zobrazení

105 Využití ultrazvukové diagnostiky v praxi.

106 Přehled sonografických vyšetření povrchové části (štít. žláza, mamma ) abdomen (interna, gynekologie) kardiologie urologie ortopedie chirurgie neurologie

107 Bezpečnost ALARA Normy IEC Všeobecné požadavky IEC 1157 Deklarace akustického výkonu TI do4 MI do 1,9

108 Pupečník - CFM

109 Zobrazení vysoké rychlosti

110 Triplexni zobrazení karotidy

111 Kaménky v žlučníku

112 CFM - sklon osy

113 Doporučená literatura Čech E. a kol.: Ultrazvuk bv lékařské diagnostice a terapii. AVICENUM Praha 1982 Doležal L. a kol.: Základy sonografie v porodnictví a gynekologii. UP Olomouc 1998 Eliáš P., Žižka J.: Dopplerovská ultrasonografie.nucleus HK 1998 Grygar I., Kudláč E..: Ultrasonografie ve veterinárním porodnictví. SLEZAN 1997