przetwornik + dziwne zwierciadło 2 układ pozwala na zmianę punktu ogniskowania. Zastosowanie: obserwacje mikroskopowe

Transkrypt

1 1. Statyczne metody koncentracji energii ultradźwiękowej: koncentratory, soczewki, zwierciadła, transformatory prędkości. Układy skupiające energię ultradźwiękową potrzebne są do uzyskania jak największej energii fali ultradźwiękowej. Układy te muszą pośredniczyć w przekazie energii, gdyż przyłożenie dużej energii bezpośrednio do przetwornika może skutkować jego uszkodzeniem. Koncentrację energii określa zależność: K = I sk, gdzie Isk to natężenie w miejscu I śr skupienia, a Iśr to natężenie średnie. Dla koncentratorów cylindrycznych K (5,20), a dla kulistych K (50,150). a) Soczewka: Soczewka skupiająca energię ma odwrotny promień krzywizny niż soczewka optyczna. Soczewka może być oddalona od przetwornika, ale może też go dotykać. Soczewki wykonuje się z ciał stałych lub cieczy przy soczewkach cieczowych bardzo ważna jest precyzja ich wykonania. Soczewki nie obciążają przetwornika optymalnie. Zastosowanie: terapia ultradźwiękowa. Ogniskowa soczewki: c = 0 1 f cl r1 r 2 Najlepiej gdy ρ0c0 = ρlcl (soczewki cieczowe). b) Zwierciadło: Najlepsze materiały na zwierciadła: szkło, aluminium, polistyren, plexiglas. zwykły przetwornik + zwierciadło w takim układzie eliminuje się element pośredniczący, można stosować różne materiały na zwierciadło. Problem stanowi odpowiednie wyprofilowanie zwierciadła. Zastosowanie: terapia ultradźwiękowa. przetwornik z dziurą + zwierciadło zwierciadło może być fragmentem czaszy kulistej, ograniczony jest obszar ogniskowania. Zastosowanie: biologiczne. czynne oddziaływanie na struktury

2 przetwornik ukształtowany w czaszę maksymalne natężenie wynikające z największej koncentracji, wymagana precyzja wykonania. Zastosowanie: rozbijanie kamieni. przetwornik + dziwne zwierciadło 1 uzyskuje się koncentrację nie w punkcie, lecz w obszarze w kształcie rombu, dzięki czemu moża nadźwiękawiać całe struktury. przetwornik + dziwne zwierciadło 2 układ pozwala na zmianę punktu ogniskowania. Zastosowanie: obserwacje mikroskopowe c) Transformator prędkości działają na podobnej zasadzie co tuby akustyczne. Stosuje się dla fali ciągłej o f 100 khz. Wskaźnik zysku dla transformatora: G= 2p 2 t Każdy transformator ma inną częstotliwość rezonansową (inny wymiar), dlatego trzeba je dopasowywać do różnych głowic. W transformatorze eksponencjalno-liniowym (walcowym) zmieniając stosunek długości poszczególnych części można uzyskiwać różne wartości amplitudy na wyjściu. Największą otrzymuje się dla stosunku 0,5.

3 2. Czynne i bierne zastosowanie ultradźwięków w medycynie. Zastosowania ultradźwięków w medycynie dzielimy na dwie grupy: a) Zastosowania bierne są to wszelkie działania, których celem nie jest dokonanie zmian w strukturze biologicznej, leczy tylko jej zobrazowanie. Wśród zastosowań biernych najczęściej występują: badania narządów (oka, serca, mózgu, piersi, opłucnej) badanie przepływu krwi wykrywanie zmian w strukturach (badanie osteoporozy, mikrozwapnień) Stosuje się różne sposoby wizualnego przedstawienia pola ultradźwiękowego, np.: zobrazowanie A, B, C i TM, z wykorzystaniem materiałów piezoelektrycznych (napięcia proporcjonalne do natężenia pola ultradźwiękowego) holografia optyczna wizualizacja amplitudy i czoła fali ultradźwiękowej przechodzącej przez ośrodek (lub odbitej). Otrzymuje się obraz 3D. obraz stereoskopowy dwie głowice rozstawione na odległość oczu + specjalne okulary wizualizacje kolorowe dotyczące przepływów lub ruchów tkanek (4 rodzaje Dopplera) b) Zastosowania czynne są to te działania, które w jakiś sposób oddziałują na tkanki (komórki). Oddziaływanie to może mieć różny charakter: mechaniczny, termiczny, chemiczny. Największe znaczenie w zastosowaniach czynnych ma natężenie fali. Z fizycznego punktu widzenia wartości natężeń dzielimy na: małe (0 1 W/cm2) średnie (1 3 W/cm2) duże (3 10 W/cm2) Zastosowania czynne ultradźwięków w medycynie dzielimy na: fizjoterapię, gdzie mamy małe natężenia 0,05-0,4 W/cm2, średnie 0,5-0,7 W/cm2, duże 0,8-1,2 W/cm2, ultrafonoforeza, aerozoloterpia, w stomatologii,

4 chirurgii, litotrypsja. Skutki działania ultradźwięków na tkanki także dzielimy na małe, średnie duże: Na skutki oprócz natężenia ma wpływ także czas nadźwiękawiania oraz częstotliwość. Nie obowiązuje prawo dozowania skutki terapii nie sumują się tak jak np. dla RTG). Częstotliwości stosowane mieszczą się w zakresie 0,8 3,5 MHz. małe (0 1 W/cm 2) niewielkie zmiany w komórkach, przyspieszanie procesów biologicznych, małe niewielkie zmiany w komórkach, przyspieszanie procesów biologicznych, średnie odwracalne zmiany wewnątrz komórek, przyspieszanie procesów, duże nieodwracalne zmiany w komórkach/tkankach (pęka jądro komórkowe, odrywa się plazma od ścian komórek, następuje śmierć komórki). 3. Akustyczne właściwości tkanek biologicznych. Najważniejsze parametry charakteryzujące ośrodek: gęstość, prędkość rozchodzenia się fali, impedancja, tłumienie. Impedancja tkanek biologicznych jest różna dla różnych tkanek, choć zmiany te czasem wynoszą jedynie 1%. Dla przykładu impedancja kości czaszki ~4,8 kg s/m 2, a tkanek miękkich ~1,63 kg s/m2, Średnia prędkość fali ultradźwiękowej dla tkanek wynosi 1540 m/s. Występują jednak duże różnice, np. dla nerek prędkość ta wynosi 1560 m/s. W zależności od rodzaju tkanki zmienia się tłumienie fali ultradźwiękowej: tkanka miękka 0,7 db/cm/mhz mięśnie (wzdłuż) 1,4 db/cm/mhz mięśnie (w poprzek) 3,3 db/cm/mhz kości czaszki 10 db/cm/mhz W zależności od kierunku przechodzenia fali ulega zmianie kąt graniczny dla przejścia kolagen tłuszcz kąt ten ma inną wartość niż dla przejścia tłuszcz kolagen. 4. Echoskop ultradźwiękowy rodzaje zobrazowań, schematy blokowe z prezentacją A, B, C i TM. Dynamiczne ogniskowanie wiązki. Echoskop ultradźwiękowy (ultrasonograf) jest urządzeniem pozwalającym na zobrazowanie struktury badanej tkanki. Urządzenia ta pracują najczęściej metodą echa, rzadziej stosuje

5 się metodę przepuszczania. Najważniejszym parametrem ultrasonografu jest rozdzielczość: głębokościowa zależy od długości impulsu, poprzeczna zależy od rozmiaru przetwornika (stąd potrzeba stosowania ogniskowania wiązki). Rodzaje prezentacji: a) Typ A duża dynamika zobrazowania (40 db) b) Typ B statyczny dynamika ~20 db Aby powstał obraz 2D konieczne jest przeszukiwanie nadźwiękawianej struktury. Stosuje się następujące rodzaje przeszukiwań:

6 liniowe łukowe liniowo-łukowe Aktualnie używa się przeszukiwania liniowego, resztę realizuje się poprzez odpowiednie sterowanie wiązką. dynamiczny W typie dynamicznym głowica jest nieruchoma składa się ona z od kilku do kilkudziesięciu przetworników. Konieczne jest sterowanie przetwornikami stosuje się w tym celu mechaniczne lub elektroniczne sposoby odchylanie wiązki. Wśród sposobów mechanicznych wyróżniamy: głowica z wirującym przetwornikiem i zwierciadłem głowica z wirującym przetwornikiem głowica z oscylującym przetwornikiem głowica liniowa. Sposoby elektroniczne: głowica liniowa ze wzbudzaniem poszczególnych elementów

7 głowica liniowa z regulowanym opóźnieniem nadania i odebrania impulsu głowica liniowa z fazowym sterowaniem elementów głowica wieloelementowa pierścieniowa ze sterowaniem elementów współosiowych. c) Typ C Podobne do B, z tym że służy do obrazowania płaszczyzn. Głowica porusza się nad badaną płaszczyzną, a jej współrzędne są przekazywane bezpośrednio do układu odchylania lampy oscyloskopowej (przy ruchu meandrowym i spiralnym), ewentualnie linia podstawy czasu przesuwa się równocześnie z ruchem głowicy (przy ruchu obrotowym głowicy). d) Typ TM Generalnie działa jak B, tyle że pokazywane są wartości w kolejnych chwilach czasu. Pionowa oś czasu - przesuwa się w pionie, natomiast pozioma zawiera znaczniki

8 głębokości. Najczęściej używana w badaniach serca. 5. Ograniczenia ultrasonografii. Współzależność parametrów. Przykład detekcji mikrozwapnień piersi. a) Dynamika ograniczona napięciem podawanym na przetwornik (i z powodu pacjenta, i z powodu przetwornika). b) Szum ograniczenie wynikające z konieczności przebicia się przez szum tkankowy. c) Rozdzielczość: poprzeczna od prędkości fali, rozmiarów przetwornika, wzdłużna od częstotliwości, która wpływa na tłumienie, które z kolei determinuje głębokość wnikania. Wykrywalność zwapnienia: dla odbiornika o czułości 10 µv wyjściowego napięcia nadajnika 250 V mamy teoretycznie 148 db. Trzeba jednak odjąć 31 db szumu tkankowego, 15 db strat przetwarzania elektroakustycznego, 26 db strat tłumienia fali. Ostatecznie jest 76 db. Zakładając zwapnienie jako kulkę sprężystą lub sztywną otrzymujemy odpowiednio warunki: ka 0,65 lub ka 0,5. Dla ka = 0,65 i f = 3 MHz rozmiar zwapnienia jaki jesteśmy w stanie wykryć wynosi 52 µm. 6. Skala szarości. Dynamika zobrazowania. W prezentacji typu A mamy do czynienia z dużo większą dynamiką niż w prezentacji B. Wynika to nie z faktu niedoskonałości aparatury, bo można stosować wielostopniową skalę szarości zapewniającą teoretycznie bardzo dużą dynamikę ograniczenie wynika z niedoskonałości ludzkiego oka, które odróżnia stosunkowo dobrze 64 poziomy szarości.

9 Dla skali 16 stopniowej: 2,5 db na stopień (zmiana o 30% w skali amplitudowej). Dla skali 64 stopniowej: 0,62 db na stopień (zmiana o 7% w skali amplitudowej). Zmiana o 7% jest bardzo łatwa do zauważenia w prezentacji A, w B jest już ciężko. Dodatkowo dynamikę ogranicza jakość (rozdzielczość) monitora. Dla monitora o rozdzielczości 526 px / 768 px i 4 cm zakresu głębokości jaki obserwujemy jeden pixel odpowiada zmianie głębokości o 0,06 mm, nie jest jednak możliwe odczytanie takiej zmiany, gdyż oko dobrze percypuje zmiany o około 4 pixele. 7. Diagnostyka mózgu. Ultradźwięki wykorzystuje się do wykrywania następujących nieprawidłowości mózgu: zmiany naczyniowe, krwiaki, guzy, wodogłowie, niesymetryczność przegrody. Stosowane częstotliwości: 1 2 MHz, częstotliwość powtarzania impulsów 200 Hz, natężenie ~1 W/cm2. Problem w tym, że trzeba równo ustawić głowice, bo jak są pod kątem, to pojawiają się błędy. 8. Diagnostyka oka. Dwie podstawowe dziedziny wykorzystania ultradźwięków w diagnostyce oka: okulometria (pomiar odległości wewnątrz oka, zaobserwowanie odklejenia siatkówki rzędu 50 µm), wykrywanie ciał stałych. Konieczna jest mała dobroć przetwornika w celu zapewnienia krótkich impulsów. Częstotliwości 15 MHz Można stosować prezentacje A, B, i C. 9. Mikroskopia ultradźwiękowa. W mikroskopii stosuje się częstotliwości nawet do 2 Ghz (rozdzielczość 1 µm). Wykorzystuje się dwie metody wizualizacji badanej struktury: m. transmisyjna ze zmiennym ogniskowaniem, m. odbiciowa obiekt porusza się ruchem meandrowym, obserwowany jest sygnał odbity od próbki. Konieczne jest stosowanie ośrodka sprzęgającego. Soczewkę wykonuje się z tlenku aluminium. Możliwy jest pomiar topografii, impedancji i rozkładu tłumienia.

10 10. Ultradźwiękowa tomografia transmisyjna. UTT wykorzystuje informacje niesione przez impuls: czas przejścia przez strukturę, tłumienie, pochodna tłumienia po częstotliwości, parametr nieliniowości. W UTT wykonywane są zdjęcia badanej struktury z różnych stron. Obrazy uzyskane z różnych rzutów są wykorzystywane do utworzenia przekroju badanej struktury technika rekonstrukcji przekroju z obrazów otrzymanych w różnych rzutach jest oparta na transformacie Radona. Stosuje się kilka rodzajów geometrii zobrazowania, najpopularniejszą jest geometria równoległopormieniowa. Różne realizacje tej metody nazywane są kolejnymi generacjami. 11. Badanie osteoporozy. 12. Inne rodzaje zobrazowań. 13. Zastosowania czynne terapia, ultrafonofereza, hipertermia, aerozoloterapia. 14. Litotrypsja falą ciągłą, 15. Litotrypsja falą uderzeniową. 16. Ultradźwiękowy nóż chirurgiczny. 17. Zastosowania w stomatologii. 18. Zasada Dopplera stosowana w medycynie. 19. Doppler ciągły. 20. Doppler impulsowy. 21. Ultradźwiękowy detektor tętna płodu. 22. Color Doppler, Tissue Doppler, Power Doppler, AIDC. 23. Angiografia. 24. Bezpieczeństwo ultradźwięków, parametry impulsów ultradźwiękowych.