ULTRASCHALL ULTRASCHALL Notwendige Vorkenntnisse Wahlfach: Schwingungen, Wellen: Schwingung (harmonische Schwingung), Periodenzeit, Frequenz, Kreisfrequenz, Amplitude, Welle (Longitudinalwelle, Transversalwelle), Wellenlänge, c λ ν, Beugung, Interferenz, stehende Welle, Schallwelle, Schallbereiche, Doppler-Effekt Statistik: Medizinische Informatik, medizinische Signalverarbeitung (Vortrag No.3.) Ausschlieslich für den Unterrichtsgebrauch. Eingenschaften des Ultraschalls. Eingenschaften des Ultraschalls. mechanische Schwingung mechanische Welle. Charakteristiken ur Ausbreitung ist immer Medium notwendig! Mechanische Transversalwellen entstehen nur, wenn elastische Querkräfte wirksam sind. f Frequenz, f > 0 khz (in den bildgebenden Geräten: 0 MHz) Mechanische longitudinale Wellen entstehen, wenn elastische Längskräfte wirken. In Festkörpern können sich Transversal- und Longitudinalwellen ausbreiten. Frequenzbereiche der Schallwellen: a. 0 0 Hz Infraschall b. 0 Hz 0 khz hörbarer Bereich Im Innern von Flüssigkeiten und Gasen können sich nur Längswellen ausbreiten. 3 c. 0 khz GHz Ultraschall d. GHz 0 THz Hyperschall 4
. Eingenschaften des Ultraschalls.3 Ausbreitungsgeschwindigkeit. Charakteristiken λ Wellenlänge (in den bildgebenden Geräten: 0,77 0,54 mm) Beispiel: f MHz c 540 m/s in Weichteilgeweben λ? λ c T c /f Knorpel Sehne λ c /f 540 m/s / 0 6 s 0,77 0-3 m 0,77 mm 5 6. Eingenschaften des Ultraschalls. Eingenschaften des Ultraschalls.3 Ausbreitungsgeschwindigkeit.4 Die akustische Impedanz p v p v max v - Teilchengeschwindigkeit max Konsequenzen: je größer die elastischen Kräfte sind, desto größer ist die Geschwindigkeit. Feste Körper > Flüssigkeiten > Gase 7 c ρ 8
. Eingenschaften des Ultraschalls 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 9 0. Eingenschaften des Ultraschalls.6 Die Schwächung.6 Die Schwächung Schwächungsgesetz 0 e - µ x ln 0,693 µ µ µ(f) D D 3,00E06 0,50E06,00E06,50E06 0 / Dämpfung: 0 α 0 lg db α 0 µ x lge db,00e06 0 /e 5,0E05,00E03 0 D/µ 5 0 5 0 x5 µ µ(f) spezifische Dämpfung: α f x Für weiche Gewebe: ~db/(cm. MHz)
Frequenz Eindringtiefe in Untersuchungsgebiet Mhz cm 50 3,5 55 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) 89 6 Prostata (endoskopisch) 0 5 43 Pankreas (intraoperativ) 7,55 7 Brustdiagnostik 0, 4,0,9 Auge, Haut 40 0,6 Haut, Gefäße 3 4. Eingenschaften des Ultraschalls. Eingenschaften des Ultraschalls.7 Reflexion.7 Reflexion - an der Grenzflächen von zwei unterschiedlichen Medien.. durch ρ, c ρ, c durch ρ Dichte des Mediums c Schallgeschwindigkeit R Ein wievielter Anteil der fallender Intensität wird ektiert R ρ ρ ρ ρ 5 6
. Eingenschaften des Ultraschalls. Eingenschaften des Ultraschalls.7 Reflexion R Ζ ρ c R ρ ρ ρ ρ ρ - Dichte des Mediums c -Schallgeschwindigkeit akustischeimpedanz.7 Reflexion R ρ ρ ρ ρ a. Grundformel der medizinischen Diagnostik b. ρ akustische Impedanz c. wenn ρ << ρ R totale Reflexion! Gas Flüssigkeit Gas Festkörper Anpassungsschicht (Koppelmedium): Wasser, Gel, Parafinöl 7 vermindert den Impedanzunterschied zwischen Luft und Haut 8 Reflexion Phänomene an der Grenzflächen zweier Medien Reflexionsvermögen totale Reflexion senkrechter Einfall schräger Einfall R <<, R fallende Intensität ( 0 ) fallende dringende Welle Intensität c ( T ) > c α α Einfallslot β Grenzfläche Muskel/Blut Fett/Leber Fett/Muskel Knochen/Muskel Knochen/Fett R 0,0009 0,006 0,0 0,4 0,48 optimale Anpassung: Kopplung Quelle Haut ektierte Intensität ( R ) 0 R T Reflexion und Transmission ektierte Welle c c sin α sin β Snellius-Descartes gebrochene Welle Weichteilgewebe/Luft 0,99 9 0
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 R R 0 lgr T T 0 lgt g/(cm s) g/(cm s) % db % db Muskel/Fett,63 0 5,4 0 5 0,00474 0,474-3,4 0,995 99,5 0,0. 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) 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 3 4
Piezoelektrizität Mechanismus des Piezoeffektes : Quarzplatte x Deformation V Quarz.B. bei Quarz: 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 5 6 Mechanismus des Piezoeffektes :. Wandler: Schwingquarz elektrische Schwingung mechanische Schwingung reziproker piezoelektrischer Effekt 69 f khz l Längsschwingung 83,9 f khz d Dickenschwingung l, d in cm 7 8
. Wandler: Schwingquarz elektrische Schwingung mechanische Schwingung Bermerkungen: a. f elektrische f mechanische b. A elektrische ~ A mechanische Notwendige Kenntnisse Biophysik für Mediziner: II/.4., II/.4., II/.4., II/.4.3 VIII/4.. Praktikumsbuch Biophysik: Ultraschall c. Umwandlung in beiden Richtungen! Schwingquarz Sender/Detektor 9 30