ULTRASCHALL. 1. Einleitung. 1. Einleitung. Was ist der Schall für eine Erscheinung?

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Rüdiger Becke
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Notwendige Kenntnisse ULTRASCHALL Biophysik für Mediziner: II/.4.

. Ausschlieslich für den Unterrichtsgebrauch. Einleitung.

Ein oszillierender oder vibrierender Körper in einem elastischen

Längswellen (longitudinale Wellen): Verdichtungen und Verdünnungen

1 Notwendige Kenntnisse ULTRASCHALL Biophysik für Mediziner: II/.4., II/.4., II/.4., II/.4.3 VIII/4.. Ausschlieslich für den Unterrichtsgebrauch. Einleitung. Einleitung Was ist der Schall für eine Erscheinung? Ein oszillierender oder vibrierender Körper in einem elastischen Medium strahlt Schall ab. Längswellen (longitudinale Wellen): Verdichtungen und Verdünnungen (d.h. Druckschwankungen gegenüber dem Normaldruck) laufen über das Trägermedium. Die Schwingungsrichtung der einzelnen Oszillatoren ist parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Die Schallwellen bestehen in einer mechanischen Störung des Gleichgewichtszustands der Materie, die sich wellenförmig ausbreitet. 3 4

. Einleitung. mechanische Schwingung mechanische Welle ur Ausbreitung ist immer ein Medium notwendig! Querwellen (transversale Wellen): Wellenberge und Wellentäler laufen über das Trägermedium.

2 . Einleitung. mechanische Schwingung mechanische Welle ur Ausbreitung ist immer ein Medium notwendig! Querwellen (transversale Wellen): Wellenberge und Wellentäler laufen über das Trägermedium. Die Schwingungsrichtung der einzelnen Oszillatoren steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Mechanische Transversalwellen entstehen nur, wenn elastische Querkräfte wirksam sind. Mechanische longitudinale Wellen entstehen, wenn elastische Längskräfte wirken. In Festkörpern können sich Transversal- und Longitudinalwellen ausbreiten. 5 Im Innern von Flüssigkeiten und Gasen können sich nur Längswellen ausbreiten. 6. Charakteristiken. Charakteristiken f Frequenz, f > 0 khz λ Wellenlänge (in den bildgebenden Geräten: 0 MHz) (in den bildgebenden Geräten: 0,77 0,54 mm) Frequenzbereiche der Schallwellen: a. 0 0 Hz Infraschall b. 0 Hz 0 khz hörbarer Bereich c. 0 khz GHz Ultraschall Beispiel: f MHz c 540 m/s in Weichteilgeweben λ? d. GHz 0 THz Hyperschall 7 8

3 .3 Ausbreitungsgeschwindigkeit.3 Ausbreitungsgeschwindigkeit Konsequenzen: je größer die elastischen Kräfte sind, desto größer ist die Geschwindigkeit. Feste Körper > Flüssigkeiten > Gase 0.3 Ausbreitungsgeschwindigkeit.4 Die akustische Impedanz κ V / V p κ - Kompressibilität V /V - relative Volumenabnahme p v p v max v - Teilchengeschwindigkeit max c ρκ ρ - Dichte c ρ ρ κ

4 Intensität und Gewebeschädigung.5 Die Schallintensität p max Intensität Energieflußdichte, Leistungsdichte Die Schallintensität bei Diagnostik 00 W/m Druckschwankung in Muskel ~0,fache des Atmospherendruckes peff effektiver Wert: p eff p max / Die Schallintensität bei der Therapie 500 W/m Druckschwankung in Muskel ~3fache des Atmospherendruckes P el U el eff elektrische Analogie Die Schwächung.6 Die Schwächung Schwächungsgesetz 0 e - µ x ln 0,693 µ µ µ(f) D D 0 e - µ x Dämpfung: 0 α 0 lg db α 0 µ x lge db 5 0 / 0 /e D /µ µ µ(f) x spezifische Dämpfung: Für weiche Gewebe: ~db/(cm. MHz) α f x 6

5 Frequenz Eindringtiefe in Untersuchungsgebiet Mhz cm 50 3,5 5 5 Fetus, Leber, Herz, Veterinärmedizin (Großtiere) 3,5 5 Niere, Veterinärmedizin (große Hunde) 5 0 Gehirn, Veterinärmedizin (mittelgroße Hunde) 7,5 7 Veterinärmedizin (klei ne Hunde, Katzen) Prostata (endoskopisch) Pankreas (intraoperativ) 7,5 5 7 Brustdiagnostik 0, 4, 0,9 Auge, Haut 40 0,6 Haut, Gefäße Reflexion.7 Reflexion ein ρ, c refl ρ, c durch ρ Dichte des Mediums c Schallgeschwindigkeit akustischeimpedanz refl ρ c ρ c R ein ρ c ρ c a. Grundformel der medizinischen Diagnostik ρ c << ρ c b. wenn R totale Reflexion! R refl ein ρ c ρ c ρ c ρ c Gas Flüssigkeit Gas Festkörper Anpassungsschicht (Koppelmedium): Wasser, Gel, Parafinöl 9 vermindert den Impedanzunterschied zwischen Luft und Haut 0

Reflexion Phänomene an der Grenzflächen zweier Medien <<, R Grenzfläche R Muskel/Blut 0,0009 Fett/Leber 0,006

) senkrechter Einfall einfallende eindringende Welle Intensität c ( T ) > c α α reflektierte Welle schräger

T Reflexion und Transmission c c sin α sin β Snellius-Descartes Schräger Einfall bzw.

Echosignal. Die Verstärkung der Echosignale aus immer größeren Tiefe ist immer stärker.

6 Reflexion Phänomene an der Grenzflächen zweier Medien <<, R Grenzfläche R Muskel/Blut 0,0009 Fett/Leber 0,006 Fett/Muskel 0,0 Knochen/Muskel 0,4 Knochen/Fett 0,48 einfallende Intensität ( 0 ) reflektierte Intensität ( R ) senkrechter Einfall einfallende eindringende Welle Intensität c ( T ) > c α α reflektierte Welle schräger Einfall Einfallslot β gebrochene Welle Weichteilgewebe/Luft 0,99 optimale Anpassung: Kopplung Quelle Haut 0 R T Reflexion und Transmission c c sin α sin β Snellius-Descartes Schräger Einfall bzw. Schräge Grenzfläche Absorption und Reflexion e tiefer die Reflexionsschicht liegt, desto schwächer ist das Echosignal. Die Verstärkung der Echosignale aus immer größeren Tiefe ist immer stärker. TGC: time gain compensation DGC: depth gain compensation 3 R R 0 lgr T T 0 lgt g/(cm s) g/(cm s) % db % db Muskel/Fett,63 0 5, , ,474-3,4 0,995 99,5 0,0 4

. Erzeugung des Ultraschalls - In zwei Schritten: a. Erzeugung sinusförmiger elektrischer Spannung mit hoher Frequenz f > 0 khz - Sinusoszillator - Siehe Praktikum: Verstärker b.

Wandler 88 entdeckten die Brüder Curie, dass bei Kristallen mit polaren Achsen (Turmalin, Quarz) durch Druck/Dehnung in bestimmten Richtungen elektrische Ladungen an den Enden der polaren Achsen

7 . Erzeugung des Ultraschalls - In zwei Schritten: a. Erzeugung sinusförmiger elektrischer Spannung mit hoher Frequenz f > 0 khz - Sinusoszillator - Siehe Praktikum: Verstärker b. Umwandlung der elektrische Schwingung in mechanische Schwingung - Wandler (Transducer). Wandler 88 entdeckten die Brüder Curie, dass bei Kristallen mit polaren Achsen (Turmalin, Quarz) durch Druck/Dehnung in bestimmten Richtungen elektrische Ladungen an den Enden der polaren Achsen auftreten. mechanische Schwingung elektrische Schwingung piezoelektrischer Effekt elektrische Schwingung mechanische Schwingung reziproker piezoelektrischer Effekt 5 6 Piezoelektrizität Mechanismus des Piezoeffektes : Quarz Quarzplatte x Deformation.B. bei Quarz: V U δ x δ 0 V/m Die Schwerpunkte der elektrischen Ladungen fallen zusammen. Durch Druck bzw. Dehnung werden die Schwerpunkte getrennt entsteht elektrische Spannung 7 8

. Wandler: Schwingquarz elektrische Schwingung mechanische Schwingung reziproker piezoelektrischer Effekt Schnittlage von piezoelektrischen Quarzplatten und Stäben 69 f khz Längsschwingung l 83,9 f

8 . Wandler: Schwingquarz elektrische Schwingung mechanische Schwingung reziproker piezoelektrischer Effekt Schnittlage von piezoelektrischen Quarzplatten und Stäben 69 f khz Längsschwingung l 83,9 f khz Dickenschwingung d l, d in cm. Wandler: Schwingquarz elektrische Schwingung mechanische Schwingung Bermerkungen: a. f elektrische f mechanische b. A elektrische ~ A mechanische c. Umwandlung in beiden Richtungen! Schwingquarz Sender/Detektor 9 30

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