ULTRASCHALL. Einleitung. Eingenschaften des Ultraschalls. Einleitung. mechanische Schwingung, mechanische Welle

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Josef Dressler
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ULTRASCHALL Einleitung Längswellen (longitudinale Wellen): Verdichtungen und Verdünnungen (d.h. Druckschwankungen gegenüber dem Normaldruck) laufen über das Trägermedium.

1 ULTRASCHALL Einleitung Längswellen (longitudinale Wellen): Verdichtungen und Verdünnungen (d.h. Druckschwankungen gegenüber dem Normaldruck) laufen über das Trägermedium. Die Schwingungsrichtung der einzelnenoszillatoren ist parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Notwendige Kenntnisse Damjanovich et al.: Biophysik für Mediziner: II/.4., II/.4., II/.4., II/.4.3 VIII/4.. Ausschlieslich für den Unterrichtsgebrauch 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 Transversalwellenentstehen nur, wenn elastische Querkräfte wirken. Mechanische longitudinalewellen entstehen, wenn elastische Längskräfte wirken. Momentbild einer fortschreitenden Transversalwelle 3 In Festkörpernkönnen sich Transversal-und Longitudinalwellen ausbreiten. In Flüssigkeiten und Gasenkönnen sich nur Längswellen ausbreiten. 4

2 Charakteristiken Frequenz f > 0 khz Wellenlänge λ Frequenzbereiche der Schallwellen: a. 0 0 Hz Infraschall b. 0 Hz 0 khz hörbarerbereich in den bildgebenden Geräten: f 0 MHz λ 0,77 0,54 mm Beispiel: f MHz c 540 m/s in Weichteilgeweben λ? Luft c (m/s) Lunge Gallenstein Knochen Glas Stahl m/s m/s Fett Wasser Blut Augenlinse Sehne c. 0 khz GHz Ultraschall d. GHz 0 THz Hyperschall 5 Leber Muskel Knorpel 6 unabhängig von der Frequenz > keine Dispersion Kompressibilität(κ) und (c) Akustische Impedanz() und Stoff Schallgeschwindigkeit (m/s) Dichte (kg/m 3 ) Wasser (0 C) , Luft (p 0, T 0 ) 33,93 Fett Knochenmark Muskel Gehirn Knochen (kompakt) V / V κ p c ρκ ρ-dichte V /V p v c ρ p v v - Teilchengeschwindigkeit ρ κ 7 8

3 Intensität und Gewebeschädigung Die Schallintensität Die SchallintensitätbeiDiagnostik 0,0 W/cm 0 mw/cm < 00 mw/cm p Intensität Energieflußdichte, Leistungsdichte Druckschwankung in Muskel: effektiv ~0,3fache, imum ~0,fache des Atmospherendruckes peff effektiver Wert: p eff p / Die Schallintensitätbeider Therapie,5 W/cm Druckschwankung in Muskel: effektiv ~fache, imum ~3fache des Atmospherendruckes P el U el eff elektrische Analogie 9 Vergleich: Hörshwelle W/m Schmerzgrenze 0 W/m 0 Die Schwächung Die Schwächung Schwächungsgesetz 0 e - µx ln 0,693 µ µ µ(f) D D Stoff D incm beif0,9 MHz D incm beif,5 MHz Fett 7,7,8 Knochenmark 7,7,8 Muskel,7,0 Gehirn 3,6,3 Knochen 0, 0, Wasser(distilliert) / 0 /e D /µ µ µ(f) x Dämpfung: 0 α 0 lg db α 0 µ x lge db spezifische Dämpfung: Für weiche Gewebe: ~db/(cm. MHz) α f x

4 A: Lunge B: Schädelknochen C: Knochen D: Muskel E: Niere F: Weichgewebe G: Hämoglobin (0.5g/ml3, 5 C) H: Wasser (5 C). Aus: Wells P N T, Biomedical Ultrasonics, 977, New York, Academic Press, Reflexion R <<, R refl ein ρ ρ ρ ρ Grenzfläche R Muskel/Blut 0,0009 Fett/Leber 0,006 Fett/Muskel 0,0 Knochen/Muskel 0,4 Knochen/Fett 0,48 Weichteilgewebe/Luft 0,99 Anpassungsschicht(Koppelmedium): Wasser, Gel, Parafinöl vermindert den Impedanzunterschied zwischen Luft und Haut 3 optimale Anpassung: Kopplung Quelle Haut 4. Erzeugung des Ultraschalls Wandler - In zwei Schritten: a. Erzeugung sinusförmiger elektrischer Spannung mit hoher Frequenz f > 0 khz - Sinusoszillator b. Umwandlung der elektrische Schwingung in mechanische Schwingung - Wandler (Transducer) Brüder Curie, 88: Bei Kristallen mit polaren Achsen(Turmalin, Quarz) treten durch Druck oder DehnunginbestimmtenRichtungenelektrischeLadungenan den Enden der polaren Achsen auf. mechanische Schwingung elektrische Schwingung piezoelektrischer Effekt reziproker piezoelektrischer Effekt 5 6

5 Mechanismus des Piezoeffektes: Wandler: Schwingquarz reziproker piezoelektrischer Effekt Schnittlagevon piezoelektrischenquarzplattenund Stäben 69 f khz Längsschwingung l 83,9 f khz Dickenschwingung d Die Schwerpunkteder elektrischen Ladungen fallen zusammen. l, d in cm DurchDruckbzw. Dehnungwerdendie Schwerpunkte getrennt entsteht elektrische Spannung 7 8 Wandler: Schwingquarz Bermerkungen: a. f elektrische f mechanische b. A elektrische ~ A mechanische c. Umwandlung in beiden Richtungen! Schwingquarz Sender/Detektor 9

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