Ultradźwięki w medycynie

Krótka Historia Ultrasonografii

• • • • • • • Na początku był SONAR – dźwiękowa nawigacja i pomiar dystansu

1822

- Daniel Colladen, fizyk szwajcarski, "podwodnym dzwonem" zbadał prędkość dźwięku w wodach jeziora Genewa. W czasach tych rozpoczęto również pierwsze próby określania map dna oceanu w oparciu o proste metody echa dźwiękowego.

1877

- Lord Rayleigh opublikował w Anglii rozprawę naukową "Teoria dźwięku" w której opisał podstawy fizyczne rozchodzenia się fal dźwiękowych.

1880

- Pierre i Jacques Curie odkryli efekt piezoelektryczny w kryształach kwarcu i tytanianu baru. Były to podwaliny do generowania i odbierania fal ultradźwiękowych o częstotliwościach z zakresu milionów cykli na sekundę (megahertzów).

1914-1918

- początek rozwoju ultradźwiękowych urządzeń do nawigacji, pomiaru głębokości i odległości w wodzie - używanych przede wszystkim na łodziach podwodnych. Następnie powstał reflektoskop i NDT - Non-Destructive Testing (badania nieniszczące)

1928

- S. Sokołow w Instytucie Elektrotechnicznym w Leningradzie opracował koncepcję ultradźwiękowego wykrywania wad w metalach i stopach odlewniczych.

1941

- F. Firestone z Uniwersytetu Michigan opracował urządzenie pod nazwą "supersonic reflektoscope" do wykrywania wad w metalach. W następnych latach nastąpił znaczny rozwój ultradźwiękowych metod badań materiałów głównie za sprawą firm SIEMENS w Niemczech i KRETZ TECHNIK z Austrii.

w medycynie:

• • • • • • • • • •

1942

- Karl T. Dussik neurolog-psychiatra z Uniwersytetu Wiedeńskiego po raz pierwszy użył reflektoskopu do wykrywania guzów mózgu.

1948-50

- w wielu ośrodkach medycznych w USA i w Europie prowadzono eksperymenty i badania na tkankach zwierzęcych i wybranych narządach ludzi.

1951

- Powstał pierwszy skaner obrazujący badane organy tzw. prezentacji dwuwymiarowej z modulacją jasności tzw. B-mode. Zaczęto badać guzy sutków, kamienie w pęcherzykach żółciowych i nerkach, guzy mózgu, i oczywiście rozpoczęła się diagnostyka ultrasonograficzna w położnictwie.

1954

- Szwedzi I. Edler i H. Hertz zbudowali pierwszy kardiologiczny skaner ultradźwiękowy pracujący w trybie M-mode , umożliwiający zobrazowanie ruchu zastawek serca.

1955

- Japończycy S. Satomura i Y. Nimura przeprowadzili pierwszą analizę ruchu zastawek serca z wykorzystaniem efektu Dopplera.

1956

- Mundt i Huges opublikowali pierwsze doniesienia dotyczące ultradźwiękowych badań gałki ocznej w prezentacji A, a dwa lata później Baum i Greenwood w prezentacji B.

1964

- W. Buschmann z Berlina Wschodniego po raz pierwszy opisał wieloelementową głowicę ultradźwiękową (multi-element electronic array) w zastosowaniach oftalmologicznych.

1965

- Firma Siemens Medical System wyprodukowała pierwszy ultrasonograf czasu rzeczywistego pod nazwą VIDOSON.

1968

- J. Sommers z Holandii opisał mechanizm pracy wieloelementowych głowic sterowanych fazowo. Lata 70-te i 80-te - Pojawiają się pierwsze ultrasonografy z głowicami liniowymi, konweksowymi, rozwinęła się dziedzina diagnostyki endowaginalnej i endorektalnej. Powstaje wyrafinowana obróbka sygnałów ultradźwiękowych - co znacznie podniosło jakość zobrazowania. Rozwinięto też podstawy matematyczne obróbki sygnałów dopplerowskich co umożliwiło powstanie usltrasonografów ze zobrazowaniem przepływów.

w Polsce :

• • • • • • • • • • •

1964

– Początki rozwoju ultrasonografii.

1972-73

- Powstał Zakład Doświadczalny "Techpan" Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie i jego Oddział w Puławach. Z.D. Techpan zajmował się projektowaniem i małoseryjną produkcją aparatury ultradźwiękowej z głównym naciskiem na aparaturę medyczną. Był to jedyny ośrodek w Polsce o takim profilu, więc historia aparatury ultrasonograficznej jest nierozłącznie związana z Z.D. Techpan IPPT PAN.

1977

- Powstał pierwszy ultrasonograf (z ramieniem pantograficznym) - USG-10, następne modele nosiły oznaczenia USG-30

1978

- Powstał - UDT-10 - ultradźwiękowy detektor tętna płodu, w wersji miniaturowej MDT-10, następne modele to UDT-20 i MDT-20

1979

- Powstał USO-10 - ultrasonograf okulistyczny, jego następca USO-20 1983 r.

1982

- Powstał UKG-20 - ultrasonograf do diagnostyki kardiologicznej

1984

- Powstały USK-40 - ultrasonograf kardiologiczny czasu rzeczywistego (z głowicą sektorową), USG-P-30 – pierwszy polski ultrasonograf skomputeryzowany (z pantografem), UDP-30/UDP-30TES - dopplerowski skaner ultradźwiękowy do zobrazowania przepływów w naczyniach obwodowych (profil prędkości).

1985

- Powstały USG-40 - ultrasonograf czasu rzeczywistego (z głowicą obrotową).

UDZ-10 - ultradźwiękowy detektor do zatok

1986

- Powstał USG-50 - pierwszy polski ultrasonograf czasu rzeczywistego skomputeryzowany ( z głowicą obrotową).

1989

- Powstał USG-55 zminiaturyzowana - przenośna wersja USG-50 (z głowicą obrotową)

1991

- Powstał USG-60 kompaktowy ultrasonograf z głowicą sektorową (przejęty do produkcji przez Elpol-Teson).

w Polsce c.d.

• • • • • • • • •

1993

– Ts-1000 - uniwersalny ultrasonograf z głowicami sektorowymi i endo 2.5-7.5 MHz. Pierwszy polski ultrasonograf, w którym zastosowano cyfrowe metody korelacji, filtrowania i interpolacji sygnałów ultradźwiękowych.

1995

- Ts-1000exd - rozwinięcie modelu ts-1000 o m.in. rozbudowane możliwości diagnostyczne i pomiarowe w aplikacjach kardiologicznych. Przy współpracy z firmą SONOMED po raz pierwszy w Polsce opracowano i rozpoczęto produkcję ultrasonografu ze spektralnym zobrazowaniem przepływów w sercu i w naczyniach obwodowych tzw. Dopplerem impulsowym z FFT

1997

- Wprowadzenie głowic elektronicznych (liniowych i konweksowych) do ultrasonografów ts-1000 exd, zastosowanie procesorów DSP do "obróbki" sygnału ultradźwiękowego, wprowadzenie interpolacji przestrzennej zobrazowania. Powstanie ultrasonografu ONYX.

1998

- Opracowanie nowoczesnego ultrasonografu okulistycznego ECHOFTAL.

1999

- Opracowanie pierwszego w Polsce ultrasonografu z kolorowym zobrazowaniem przepływów tzw. Color Doppler i Power Doppler - ONYX II.

1999

- Unikalna w Polsce głowica dwupłaszczyznowa, wprowadzenie na rynek ultrasonografów weterynaryjnych SPINEL - vet , ALBIT vet, DESMIN vet

2000

- Szerokopasmowe głowice elektroniczne , 128 - kanałów , ONYX II, Wprowadzenie nowoczesnego modułu BEAMFORMERA, cyfrowe formowanie wiązki , dynamiczne ogniskowanie metodą pixel by pixel, dynamiczna apertura , apodyzacja , dopasowanie częstotliwości do głębokości badania, ONYX II

2001

- DIGITAL DOPPLER , całkowicie cyfrowy tor dopplerowski ONYX II, wprowadzenie ultrasonografu weterynaryjnego z głowicą liniową DESMIN vet

2002

- Wprowadzenie na rynek specjalistycznych ultrasonografów Mikroskan, cyfrowy tor dopplerowski - Spinel II

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Fale akustyczne

Definicja fali akustycznej mówi, że jest to przenoszenie ze skończoną prędkością zaburzeń mechanicznych stanu ośrodka, niosące ze sobą energię. Ośrodek musi być : • Materialny • Sprężysty Definicja nie ma innych ograniczeń np. co do kształtu fal, stanu skupienia ośrodka czy częstotliwości. Dlatego fale nie muszą być czysto harmoniczne, a przeciwnie - zwykle mają złożony kształt (np. impulsu) Wyróżniamy kilka rodzajów fal: podłużne (gazy i ciecze), fale poprzeczne, giętne, skrętne, powierzchniowe (materiały ze sprężystością postaciową ) Uwaga!!! Nie występuje polaryzacja fal akustycznych, Zakres częstotliwości widma: • • Dla fal akustycznych przyjęto: 20Hz  20kHz, za dolną i górną granicę dźwięków słyszalnych. Powyżej górnej granicy słyszenia rozpoczyna się pasmo ultradźwięków w którym pracują systemy hydroakustyczne, narzędzia przemysłowe, defektoskopy, urządzenia optoakustyczne oraz narzędzia i ultrasonografy medyczne. Górna granica właśnie za sprawą ultrasonografii przesuwa się w coraz wyższe rejony sięgając obecnie ponad 100MHz.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Fale akustyczne

Fale akustyczne opisuje równanie falowe, wyprowadzone na podstawie drugiego prawa Newtona, zależności termodynamicznej między ciśnieniem a objętością środowiska oraz równania ciągłości strugi. W najprostszej formie, (dla fali płaskiej rozchodzącej się wzdłuż osi x ), równanie to ma postać:  

t

2   2  2  2

c



x

2 Z odpowiednimi warunkami brzegowymi, gdzie: t jest czasem, c prędkością propagacji fali w ośrodku, zaś F jest tzw. akustycznym potencjałem prędkości. Dla fali kulistej najprostsza forma równania występuje dla współrzędnych sferycznych, dla giętnej - w walcowych itp. Dla uproszczenia formalistyki zapisów równań i prostszej interpretacji zjawisk różne postacie fal chętnie uznaje się za lokalnie płaskie (np. dla fali kulistej w dostatecznej odległości od źródła).

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Definicje akustycznych wielkości fizycznych

•

Ciśnienie akustyczne P a

oznacza przyrost ciśnienia, względem średniego ciśnienia statycznego, spowodowany wytrąceniem cząstek ośrodka ze stanu równowagi. Jednostką tej skalarnej wielkości jest Paskal [Pa], odpowiadający oddziaływaniu siły 1 niutona na powierzchnię 1 metra kwadratowego.

•

Impedancja akustyczna z

a

jest miarą reakcji ośrodka na falę akustyczną.  - gęstość ośrodka;

r z a a

 Impedancja może mieć charakter zespolony. W większości niewiele stratnych ośrodków, impedancja staje się rezystancją r

a

, dającą się obliczyć ze wzoru:  

P



a c

c – mierzalna prędkość propagacji fali akustycznej w tym ośrodku;

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Definicje akustycznych wielkości fizycznych

Jednostką impedancji akustycznej jest Rayl posiadający wymiar [kg m -2 s -1 ] Przykładowe wartości r

a

(wszystkie podane wartości x 10 6 Raylów):           Powietrze ............................ 4*10 -4 Woda .................................... 1,49 Tkanka miękka, mięśnie, krew, nerki, skóra, wątroba, mózg .......... ok. 1,6 Kości ............................................. ok. 3,5 – 7,5 Gliceryna ........................................... 2,5 Plexi, epoxy ......................................... 3,2 Aluminium .............................................. 17 Mosiądz .................................................... 31 Stal ............................................................. 45 Ceramika piezoelektryczna ............................... ok. 30

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Definicje akustycznych wielkości fizycznych

Wnioski:

Z przykładów tych wynika, ze ciało człowieka ma praktycznie tę samą impedancję akustyczną co woda. Metale i ceramika, z której wykonywane są przetworniki ultradźwiękowe, mają impedancję kilkanaście razy wyższą, lecz istnieją łatwe do obróbki materiały o impedancji pośredniej, nadające się do tworzenia warstw pośredniczących w transmisji dźwięku z przetwornika do organizmu. Ogromną barierę impedancyjną może natomiast tworzyć powietrze (i inne gazy), stąd konieczność eliminowania nawet najcieńszych jego warstewek z drogi propagacji fali - konieczność zwilżania, smarowania powierzchni głowic przy kontakcie z ciałem. Organy zawierające powietrze (płuca, jelita, pusty pęcherz) również stanowią bariery nie do przebycia dla fal ultradźwiękowych i na zobrazowaniach można uzyskiwać tylko obrysy tych organów.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Definicje akustycznych wielkości fizycznych

• • Natężenie dźwięku J

a

jest definiowane jako ilość energii akustycznej w jednostce czasu przepływającej przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali. Jest więc gęstością mocy akustycznej wyrażaną w watach na metr kwadratowy (w ultrasonografii często w [mW/cm 2 ]). Trudniejsze do bezpośredniego pomiaru, jednak z ciśnieniem akustycznym wiąże je zależność: 2

J a



P a

2

z a

Moc akustyczna

jest definiowana jako powierzchniowa całka z natężenia akustycznego, obliczana po interesującej powierzchni przepływu, prostopadłej do kierunku przepływu fali. Jednostką mocy akustycznej jest wat.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Energia w polu ultradźwiękowym

Wielkość energetyczna, jaką jest gęstość energii akustycznej w czasie, czyli natężenie fali akustycznej Ja dla przebiegu harmonicznego określa zależność:

J a

 1 2

z a A

2  2

z a A

  - jest impedancją ośrodka;

2

 - jest amplitudą wychyleń cząstek; - pulsacja fali (f - częstotliwość);

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Koncentracja energii ultradźwięków promieniowanie i odbiór kierunkowy, ogniskowanie

Większość narzędzi ultradźwiękowych wymaga przeniesienia energii z drgającej powierzchni przetwornika na narzędzie. Problem ten jest rozwiązany poprzez zastosowanie koncentratów w kształcie odwróconej pełnej, metalowej tuby (transformuje ona małe wychylenia dużej powierzchni przetwornika na duże wychylenia wierzchołka).

•

Podstawą promieniowania kierunkowego jest interferencja fal w polu akustycznym.

Gdy nie ma warunków do jej powstawania nie ma sposobu, by fale promieniować kierunkowo.

•

Idealne interferencje mogą zachodzić tylko dla fal okresowych

różniących się od siebie tyko fazą. Im bardziej złożone (np. szerokopasmowe) sygnały, tym bardziej złożony mechanizm interferencji i mniej wyraźne ich efekty.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Koncentracja energii ultradźwięków promieniowanie i odbiór kierunkowy, ogniskowanie

W bezpośredniej bliskości (w tzw. polu bliskim, zwanym także strefą Fresnela) drgającej harmonicznie powierzchni - np. okrągłego przetwornika - fala rozchodzi się w objętości cylindra, którego podstawą jest przetwornik – rysunek poniżej: a) Rozkład ciśnienia na osi akustycznej przetwornika w polu bliskim i dalekim; b) Objętość w której rozprzestrzenia się fala akustyczna Mierząc rozkład ciśnienia akustycznego, oddalając się od przetwornika wzdłuż osi akustycznej okaże się, że występuje wiele maksimów i minimów zmierzonych wartości ciśnień (rys a). W obliczu takiego "bałaganu polowego" strefa ta nie daje się, w przedstawionej sytuacji do pobudzania przetwornika harmonicznym, długim sygnałem, w celu uzyskania porządnego zobrazowania ultrasonograficznego. Ratunkiem może tu być wstawienie między powierzchnię przetwornika a ciało pacjenta

warstwy pośredniczącej

, w której zawrze się pole bliskie, zaś organy pacjenta znajdą się w bardziej uporządkowanej pod względem rozkładu pola strefie dalekiej, rozpoczynającej się od odległości, którą opisujemy wzorem:

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Koncentracja energii ultradźwięków promieniowanie i odbiór kierunkowy, ogniskowanie

r



a

2 

a

 - promień przetwornika, - długość fali w ośrodku •

Zogniskowanie wiązki

jest lepszym sposobem uporządkowania pola bliskiego, gdyż w przypadku stosowania krótkich impulsów sondujących o szerokim widmie częstotliwościowym warunki interferencji w polu bliskim psują się, . Można to uczynić stosując przetwornik w kształcie czaszy lub, co jest częściej praktykowane, przyklejając soczewkę ogniskującą do przetwornika płaskiego. Soczewki wykonywane są z materiałów transmitujących fale akustyczne szybciej niż woda czy tkanki ludzkie (plexi, epoksyd, poliuretan);

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Koncentracja energii ultradźwięków promieniowanie i odbiór kierunkowy, ogniskowanie

Poza

strefą bliską

pole akustyczne staje się rozbieżne (rys b). Wskutek złagodzenia warunków geometrycznych interferencji, tzn. minimalizacji różnic w odległościach między punktami osi akustycznej a punktami powierzchni przetwornika,

pole dalekie

(strefa Fraunhofera) wzdłuż osi porządkuje się. Rozbieżność wiązki powoduje wzdłuż osi akustycznej zmniejszanie gęstości mocy (natężenia akustycznego) w polu w sposób, w jaki rośnie powierzchnia podstawy tworzonego stożka, czyli z kwadratem odległości od przetwornika. Ciśnienie akustyczne maleje zatem proporcjonalnie do wzrostu odległości.

Fenomenologia

odbioru kierunkowego

fal jest całkiem odmienna niż promieniowania kierunkowego. Pole akustyczne jest przy odbiorze ukształtowane i przetwornik odbiorczy może swoją obecnością co najwyżej je zniekształcić np. niepotrzebnie odbijając falę akustyczną. Kształtowanie charakterystyki kierunkowej po stronie odbiorczej odbywa się po stronie elektrycznej, w węźle sumującym ładunki powstające na poszczególnych elementach apertury przetwornika.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Koncentracja energii ultradźwięków promieniowanie i odbiór kierunkowy, ogniskowanie



Powyżej przedstawione zostały tylko fizyczne aspekty kierunkowości po stronie nadawczej i odbiorczej. Istnieją metody elektronicznego oddziaływania na sygnały tak, by uzyskiwać zogniskowanie lub odchylanie wiązek (np. tzw. soczewka elektroniczna zamiast fizycznej). Zagadnienia te są omówione przy opisie konstrukcji głowic ultrasonografów.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Propagacja fal odbicia i ugięcia, załamanie, efekty nieliniowe

Odbicia fal ultradźwiękowych od różnych struktur w organizmie różniących się wartościami impedancji akustycznej są podstawą obrazowania tkanek w ultrasonografii.

składowych ciśnień fali padającej na granicę i odbitej określa równanie Fresnela:

Współczynnik odbicia R

R



z z

1 1   , równy stosunkowi amplitud

z z

2 2 A współczynnik przenikania:   1 

R

Współczynnik może być ujemny, co oznacza odwrócenie fazy ciśnienia w fali odbitej.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Propagacja fal odbicia i ugięcia, załamanie, efekty nieliniowe

Przy

ukośnym

padaniu fali obowiązuje prawo Sineliusa określające kąt załamania fali po pokonaniu granicy: sin  2 

c

2

c

1 sin  1

Uwaga!!!

Wzory Fresnela i Sineliusa mają fundamentalne znaczenie dla ultrasonografii, wyjaśniają bowiem istotę wykorzystywanych zjawisk powstawania echa, wnikania reszty (po częściowym odbiciu) fali w głębsze warstwy organizmu, powstawania niektórych zniekształceń geometrycznych obrazu, cienia akustycznego - ważnego zjawiska przy interpretacji zobrazowań, itd.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Propagacja fal odbicia i ugięcia, załamanie, efekty nieliniowe

Interesującym i wykorzystywanym w ultrasonografach (niektórych) zjawiskiem są

nieliniowe efekty

np. w nerce czy wątrobie. propagacyjne fali akustycznej w tkankach, silniejsze w tkankach z pewną zawartością tłuszczu, słabsze Przy wyższych natężeniach zaczynają odgrywać pewną rolę różnice w prędkości propagacji w ośrodku w momentach występowania nadciśnień i podciśnień fali, czego skutkiem jest zmiana jej kształtu. Wygenerowana fala czysto sinusoidalna w polu, w pewnej odległości od przetwornika, odkształca się - pojawiają się częstotliwości harmoniczne. Na wyższej częstotliwości wydłuża się pole bliskie, maleje efektywna szerokość wiązki i lepsza staje się rozdzielczość poprzeczna urządzenia oraz maleje poziom listków bocznych w polu dalekim.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Straty transmisyjne straty na rozprzestrzenianie, tłumienie, rozpraszanie dźwięku

W polu dalekim , zmniejsza się natężenie fali w związku ze wzrostem powierzchni przez którą fala przechodzi. Również fala odbita i powracająca w formie echa jest falą kulistą, i dlatego jej natężenie maleje również z kwadratem odległości od źródła echa. W efekcie natężenie echa docierającego do przetwornika odbiorczego maleje z czwartą potęgą odległości r od obiektu wytwarzającego echo. Zjawiska te, oznaczające osłabienie sygnału sondującego i echa, zwane są stratami transmisyjnymi na rozprzestrzenianie sygnałów. W ultrasonografii, gdy pracuje się w zogniskowanym tłumienia w ośrodku propagacji. Są to tzw. polu bliskim , straty na rozprzestrzenianie nie występują. Natężenie fali maleje tylko wskutek jej straty transmisyjne na tłumienie lub straty absorpcyjne . Źródłem strat jest lepkość, tarcie wewnętrzne, przewodność cieplna, rozproszenia, procesy molekularne, dyspersja prędkości, nieliniowe efekty propagacyjne dla większych natężeń pola.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Straty transmisyjne straty na rozprzestrzenianie, tłumienie, rozpraszanie dźwięku

Spadek ciśnienia

w w funkcji wzrostu zasięgu opisuje zależność:

P a



P a

0 *

e

 

r

 - [m -1 ] jest współczynnikiem tłumienia (absorpcji) fali w ośrodku;

Tłumienie dźwięku

we wszystkich praktycznie ośrodkach rośnie z częstotliwością. Jeśli znana jest wartość współczynnika tłumienia  1 dla częstotliwości f

1

, to dla innej częstotliwości f

2

:   n - zawiera się na ogół między 1 a 2.  1  

f f

1  

n

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

Straty transmisyjne straty na rozprzestrzenianie, tłumienie, rozpraszanie dźwięku

• Tłumienie fali jest źródłem wielkiej dynamiki odbieranych sygnałów echa, a tory odbiorcze ultrasonografów muszą być przygotowane do niezniekształconego odbioru dużych sygnałów z bliska jak też mizernych ze skraju zasięgu. Wymagana dynamika torów tylko w związku z tłumieniem, może sięgać 80 - 90dB. • Straty absorpcyjne zaliczamy na ogół do nich także mechanizmy związane z rozpraszaniem fal na drobnych w stosunku do długości fali cząsteczkach materii - zbyt drobnych, by traktować je jako obiekty wytwarzające "zwykłe" echa. • Efekt rozpraszania fali i powrót energii także w kierunku odbiornika jest jednak podstawą dopplerowskich badań przepływów krwi i niekiedy, w celu poprawy warunków pomiarowych, do krwi wprowadza się jako środek kontrastujący właśnie mikropęcherzyki (o średnicach rzędu pojedynczych mikrometrów) powietrza.

Fizyczne podstawy techniki ultradźwiękowej

• • • • •

Zjawisko Dopplera

Wykorzystanie zjawiska Dopplera w Ultrasonografii jest pozornie proste i tłumaczone jest zwykle dość pobieżnie. Praktyczna postać wzoru Dopplera wygląda następująco:   

m s

   0 , 78

f f n d

  

MHz

 1 cos  Obserwując powyższy wzór możemy odczytać następujące kłopoty pomiarowe: Nadawany sygnał powinien być czysto harmoniczny, Wiązka nadawczo - odbiorcza nie powinna być rozbieżna, Dobrze byłoby obserwować jedno źródło odbić (np. jedno naczynie krwionośne). W przypadku obserwacji obiektów o zmiennych prędkościach (np. krwinek poruszających się w takt uderzeń serca) sytuacja pomiarowa staje się niestabilna w czasie.

Rodzaje oddziaływania energii ultradźwięków na organizm

Oddziaływanie ultradźwięków na tkanki biologiczne

• Działanie teratogenne • Zahamowanie rozwoju płodu • Obumieranie komórek • Zmniejszenie zdolności reprodukcji • Zmniejszenie zdolności immunologicznej

Rodzaje oddziaływania energii ultradźwięków na organizm

Bezpieczeństwo badań

•

Wskaźnik mechaniczny MI

mechanicznych (w okulistyce nie może przekraczać 0,23, zaś w pozostałych badaniach 1,9): – w celu oszacowania negatywnych efektów

CMI

 Pr,

a

1

f

2 *

C MT

CMI

Pr,a

f

- jest częstotliwością fali w MHz,

z

- odległością od przetwornika,

Pr

= 1 MPa MHz-1/2, = Pr 10-0,015fz, - maksimum przeliczonej wartości szczytowej ujemnej amplitudy ciśnienia w MPa

Rodzaje oddziaływania energii ultradźwięków na organizm

Bezpieczeństwo badań

•

Wskaźnik termiczny TI

temperatury w poszczególnych punktach tkanki (różne wskaźniki dla kości i tkanek miękkich): – w celu oszacowania potencjalnego wzrostu

TI



P

0

P

deg

P0

- jest akustyczną mocą wyjściową dla wybranych warunków badania,

Pdeg

- jest szacunkową mocą potrzebną dla podwyższenia temperatury tkanki o 1 °

Wskaźniki zagrożeń

TI i MI

zostały tak zdefiniowane, że prócz natężenia pola ultradźwiękowego uwzględniają całkowitą energię wyjściową, mody i kształt wiązki, pozycję ogniska, częstotliwość środkową sygnału sondującego, kształt fali, częstotliwość powtarzania transmisji, a więc oprócz czasu badania praktycznie wszystkie czynniki mające wpływ na powstawanie ewentualnych

Przetworniki ultradźwiękowe

• • • • Są najbardziej specyficznym i najdroższym elementem aparatury ultradźwiękowej Efekty strykcyjne stanowią podstawę działania przetworników: - piezoelektrycznych – coraz rzadziej stosowane - piezoceramicznych – powszechnie używane Technologia wykonywania kształtek piezoceramicznych – różne rozmiary i kształty, niewielkie wymiary przynajmniej jednego boku, powtarzalność parametrów oraz selekcja wpływająca na cenę Rezonans mechaniczny kształtek: - najczęściej stosowanymi przetwornikami są okrągłe lub prostokątne płytki piezoceramiczne drgające w kierunku prostopadłym do powierzchni naniesionych elektrod – drgania tłokowe

Przetworniki ultradźwiękowe

• Kształtki piezoelektryczne drgają przy pobudzeniach zmiennym polem elektrycznym (zmianami ładunków na elektrodach), • Drgania rezonansowe - istnieją, gdy na powierzchni kształtki "odkłada się" dokładnie połowa fali wywołanej pobudzeniem harmonicznym – rezonans podstawowy • Przetworniki warstwowe – niskie częstotliwości rezonansowe, pobudzane niekiedy kilowoltowymi impulsami lub ciągłymi przebiegami, stosowane w płuczkach do czyszczenia i dezynfekcji narzędzi, aparatach do wytwarzania aerozoli • Buzery – częstotliwości akustyczne, wykorzystywane w systemach alarmowych jako bardzo efektywne źródła dźwięku, drgają giętnie • Dobroć przetwornika – zależy od niej sprawność przemiany energii, kształt obwiedni promieniowanych sygnałów oraz zdolność do generacji i odbioru sygnałów szerokopasmowych

Głowice ultradźwiękowe

Dzielimy na: • • Magnetostrykcyjne Piezoelektryczne

Głowice ultradźwiękowe

Głowice magnetostrykcyjne

• Stosowane są do najczęściej do nadawania, rzadziej do odbierania sygnału • Przeznaczone są do pracy na częstotliwościach mniejszych od 100kHz • Trudności w uzyskaniu krótkich impulsów są powodem sporadycznego ich stosowania

Głowice ultradźwiękowe

Głowice piezoelektryczne

Dzielą się na: • • • • Normalne – nadają i odbierają fale prostopadłe lub nieznacznie odchylone od normalnej do płaszczyzny swojej styczności, występują jako jedno lub dwuprzetwornikowe; Skośne – wysyłają i odbierają impulsy pod określonym kątem do powierzchni ośrodka badanego, wykorzystują zjawisko załamania fal ultradźwiękowych; Bezstykowe – wytwarzają lub odbierają fale ultradźwiękowe w ośrodku badanym, ze szczeliną powietrza między głowicą, a powierzchnią ośrodka, wykonywane jako pojemnościowe lub elektromagnetyczne; Specjalne – stosowane są jako jednozadaniowe w diagnostyce lekarskiej lub defektoskopii;

Głowice ultradźwiękowe

Konstrukcja prostej głowicy ultradźwiękowej z soczewką fizyczną

Głowice ultradźwiękowe

Podział głowic ze względu na geometrię obrazowania

Głowica z geometrią: Zalety Wady liniową • duża powierzchnia głowicy • możliwość obrazowania dużych powierzchni • bezpośrednie przetwarzanie na sygnał wizyjny • jednorodność próbkowanego obrazu w całym obszarze skanowania łukową sektorową złożoną • wzrost rozdzielczości wraz z głębokością wnikania • możliwość obrazowania małych okien w badanej strukturze • dokładniej ukazana krzywizna obiektu • zwiększona rozdzielczość i pole obrazowania • łączy w sobie wady geometrii liniowej i sektorowej • niejednorodność próbkowania • duży stopień kompilacji

Projektowanie urządzeń ultradźwiękowych

1.

2.

3.

Wybór częstotliwości pracy urządzenia Wprowadzenie równania zasięgu: EL ≥ NL+DT EL – poziom sygnału echa NL – poziom zakłóceń DT – próg detekcji Oszacowanie wartości uzyskiwanego poziomu natężenia fali sygnału echa

Dynamika odbieranych sygnałów echa i metody jej kompresji - automatyczna i zasięgowa regulacja wzmocnienia odbiornika, logarytmiczne charakterystyki wzmocnienia

• W ultrasonografii dynamika odbieranych ech może sięgać 140dB (10 milionów razy czyli np. od 1V do 10V) najprostsze operacje elektroniczne typu detekcja, mieszanie sygnałów są niemożliwe do przeprowadzenia z tą dynamiką niemożliwe zwłaszcza w połączeniu z koniecznością próbkowania sygnałów z częstotliwością kilku czy nawet kilkudziesięciu megaherców.

• Tak wielka dynamika ech ma dwa źródła. Pierwsze to różnice "sił celu" tkanek sięgające 50dB. Pozostałe 90dB dynamiki wynika głównie z tłumienia absorpcyjnego propagowanej "tam i z powrotem" fali od odległych celów. • Straty sygnałów na tłumienie należy kompensować Są trzy sposoby takiej kompensacji : - zasięgowa regulacji wzmocnienia odbiornika (ZRW, ang. TVG - Time Variable Gain lub TGC - Time Gain Control).

- automatyczna regulacja wzmocnienia odbiornika (ARW) - wtrącenie w tor odbiorczy członu o logarytmicznej charakterystyce wzmocnienia, układ taki wzmacnia silniej mizerne sygnały niż sygnały większe, wobec czego zmniejsza dynamikę sygnałów wyjściowych w stosunku do istniejącej na jego wejściu.

Układ zasięgowej lub strefowej regulacji

Do jego realizacji używa się układów mnożących sygnał echa z przebiegiem regulującym. Najprostszym takim układem jest tranzystorowa para różnicowa ze sterowanym źródłem prądowym w swych połączonych emiterach.

Dla częstotliwości poniżej 1MHz można zastosować gotowe układy scalone o dynamice rzędu 40dB. Powyżej pozostają układy prostsze - z elementami dyskretnymi lub scalone ale o strukturze takiej jak przy elementach dyskretnych.

We współczesnej ultrasonografii stosujemy czestotliwości od 2 MHz do około 10 MHz. Zakres niskich częstotliwości od 2 MHz do 3.5 MHz jest charakterystyczny dla ultrasonografii położniczej i ginekologicznej, zakres częstotliwości od 3 do 5 MHz stosowany jest w badaniach serca, podczas gdy naczynia krwionośne obrazowane są przy pomocy raczej wyższych częstotliwości od 5 MHz do 7.5 MHz,

Filtracja sygnałów

"Proste", wąskopasmowe sygnały nie dają zbytnich możliwości optymalizacji odbioru, zaś sygnały o bardziej złożonym widmie umożliwiają przy pewnych zabiegach po stronie odbiorczej uzyskać tzw. zysk filtracji; Aby impulsy po przejściu przez filtr zachowywały swój złożony, z punktu widzenia widma, kształt muszą zostać możliwie niezniekształcone relacje fazowe między prążkami widma. Jest to możliwe w tzw. filtrach z maksymalnie liniową fazą (Thomsona, Bessela); Sposoby filtracji stosuje się, jak wspomniano, do ograniczenia pasma szumów, których źródłem są obwody wejściowe odbiornika, kanał transmisyjny;

Rewerberacje

, a więc echa pochodzące od innych niż pożądany celów przeszkadzają niekiedy w zobrazowaniu np. drobnych kamieni nerkowych Ogólnie operacja różniczkowania obwiedni sygnału, choć kiepska z punktu widzenia klasycznych warunków detekcji na tle szumu, jest stosowana dla uzyskania wyraźniejszych obrysów rozmytych z natury ech;

Filtracja sygnałów

Układ tłumienia ech rewerberacyjnych

Przemiana częstotliwości, demodulacja, detekcja

Przemiana częstotliwości polega, jak wiadomo, na zmieszaniu (najprościej na nieliniowym elemencie, np. diodzie lub "przytkanym" tranzystorze) dwóch sygnałów o różnych częstotliwościach i wyfiltrowaniu z efektów mieszania sygnału o częstotliwości pośredniej - będącej różnicą lub sumą częstotliwości mieszanych sygnałów. Stosowanie odbiorników bardzo szerokopasmowych jest niekorzystne ze względu na niepotrzebnie odbierane szumy spoza pasma aktualnie stosowanej głowicy. Lepiej, jak w odbiornikach radiowych, zastosować wzmacniacz pośredniej częstotliwości z pasmem jak dla pojedynczej głowicy i ewentualnymi innymi formami obróbki sygnałów echa Detekcja oznacza wszelkie sposoby wydobywania informacji z sygnałów a demodulacja oznacza techniczny sposób realizacji detekcji.

Prosty detektor diodowy nie wystarcza np. wtedy, gdy istnieje konieczność zachowania informacji o relacjach fazowych odbieranych sygnałów - wykonuje się tzw. demodulację (detekcję) kwadraturową

Obróbka sygnałów dopplerowskich - metody fali ciągłej i impulsowej

W metodzie fali ciągłej głowica musi zawierać oddzielne przetworniki - nadawczy i odbiorczy. Często są to dwie odizolowane elektrycznie i akustycznie połówki kształtki okrągłej. Przetwornik nadawczy jest pobudzany bez przerwy falą sinusoidalną i bez przerwy do odbiornika dociera sygnał przesłuchu sygnału nadawanego i sygnał pochodzący ze wstecznych rozproszeń na krwinkach, zawierający odchyłkę dopplerowską. Sygnał dopplerowski jest bardzo mały - jego amplituda bywa nawet 120dB mniejsza od amplitudy sygnału nadawanego przed demodulacją trzeba go zatem odpowiednio wzmocnić.

Prócz tego można stosować inne sposoby pomiarowe, np. metodę pierwszego momentu widma, estymacji korelacyjnej .

Jest też możliwość mierzenia przepływu krwi w naczyniach, zajmuje się tym angiografia dopplerowska stosowana w arterioskopach

Obróbka sygnałów dopplerowskich - metody fali ciągłej i impulsowej

Należy zdawać sobie sprawę, że kłopoty pomiarowe pokazane przy omawianiu metody fali ciągłej potęgują się niesłychanie w metodzie impulsowej, bowiem odchyłkę można mierzyć tyko w czasie krótkiego impulsu Należy więc próbkować (przynajmniej z tzw. częstotliwością Nyquista, czyli dwa razy częściej niż częstotliwość nośnej) Ważność diagnostyczna pomiarów i zobrazowań przepływów krwi spowodowała bardzo znaczne zaawansowanie technologiczne urządzeń, metod obróbki i zobrazowania ultrasonografów dopplerowskich.

Rodzaje zobrazowań w urządzeniach diagnostycznych

Ważnym parametrem technicznym zobrazowań i rejestracji, prócz rodzaju (typu), jest możliwa do osiągnięcia dynamika. Dynamika ta wiąże się niekiedy z możliwościami percepcyjnymi człowieka - operatora urządzenia.

Zobrazowanie typu M

(motion), nadające się do ekspozycji ruchu narządów W prezentacji podstawie czasu, na lampie widoczna jest krzywa sin obrazująca ruch badanego narządu.

TM

(time motion) rejestrowane jest echo fali przy ruchomej Obrazy dwuwymiarowe 2D (dimensions) obie osie zobrazowania należy przydzielić tym wymiarom przestrzeni

Zobrazowanie typu P

(panorama) Współrzędne prostokątnych - głowica liniowa.

Współrzędne biegunowych - głowice sektorowe i konweksowe

Kolorowe kodowanie przepływów

- polega ono na zabarwieniu obrazu naczynia kolorami oznaczającym prędkość przepływu

Rodzaje zobrazowań w urządzeniach diagnostycznych

Prezentacja typu A

Jedynym parametrem jest wysokość impulsu, odpowiadająca wartości ciśnienia akustycznego, który zostaje zobrazowany na podstawie czasu. Np..: badania gałki ocznej.

Modulacja jasności typu B

Odebrane echa zostają zamienione na świecące obszary na ekranie monitora. Jasność plamki jest proporcjonalna do amplitudy ech. Można zaobserwować informacji o części przekroju badanego narządu.

Zobrazowanie typu C

Płaskie zobrazowanie stanu ośrodka na płaszczyźnie ograniczonej skrajnymi punktami przesuwu głowicy. Np..: defektoskopia i kościec płodu.

Rodzaje zobrazowań w urządzeniach diagnostycznych

a) Obrót głowicy b) Omiatanie liniowe rozchodzeniu się fali: a) Powierzchniowej b) i c) Płytowej

Zobrazowanie 3D

Jedna z najnowszych technik, obrazy podobne do obrazów tomograficznych

.

Zobrazowanie 3D

Możliwości obrazowania 3D

w profesjonalnych ultrasonografach

Zobrazowanie typu M i B

Zobrazowanie typu M (t -szybka, T - wolna podstawa czasu) Zobrazowanie typu B dla głowicy liniowej, sektorowej i konweksowej

Przykład zobrazowania przepływu krwi

Artefakty

Są to wszelkiego rodzaju zniekształcenia pojawiające się na zobrazowaniach ultrasonograficznych

Przykłady artefaktów to:

• Echa od nieistniejących obiektów (np. występujące z powodu wielokrotnych odbić, od listków bocznych); • Obiekty odwzorowane w niewłaściwym położeniu (załamania fal); • Zniekształcone wymiary, kształt lub siła celu (załamanie fali, różna prędkość dźwięku, niewłaściwe wzmocnienie (stałe - ręczne lub ZRW); • Zbyt wysoko poziom echa za tkankami o niższym tłumieniu niż zakładane przy nastawionej ZRW; • Cień akustyczny powstający za dużym w stosunku do długości fali obiektem silnie odbijającym. Zjawisko cienia nie zawsze należy traktować jako utrudnienie, bowiem niekiedy ułatwia on zauważenie drobnego obiektu.

Pomiary w ultrasonografii

Pomiary obiektów ukazywanych na zobrazowaniach prowadzone są przy założeniu, że prędkość dźwięku w tkankach wynosi 1540 m/s. Przy zobrazowaniu jednowymiarowym (prezentacja A) na podstawie czasu generowane są znaczniki odległości co 1mm lub 1cm. W prezentacji dwuwymiarowej do określania wymiarów służą ustawiane np. trackballem znaczniki z przeliczaną według ich współrzędnych odległością. Prócz pomiarów dokonywanych przez użytkowników, do sprawdzania, kalibracji i porównywania aparatury stosuje się specjalne wzorce tkankowe. Są to zwykle pudełka wypełnione żelatyną z dodatkiem proszku grafitowego.

Przykładowe obrazy z badania ultrasonograficznego

Przykładowe obrazy z badania ultrasonograficznego

Przykłady stosowanej aparatury

Poziom minimalnych parametrów technicznych aparatu ultrasonograficznego Obejmuje on : • • • • • parametry głowic (zestaw, częstotliwości pracy, szerokość sektorów); nastawy parametrów (głównie ZRW i ręcznej RW); organizację zobrazowania i rejestracji; wymaganą mobilność aparatów (przenośność, przewoźność); warunki klimatyczne użytkowania, składowania, transportu, warunki zasilania, serwisu, aktualizację wpisanych do pamięci procesora tablic biometrycznych, dostępność dokumentacji i instrukcji obsługi.

Ogólnie aparaturę ultrasonograficzną można tak właśnie podzielić - na niejako "popularną", do badań rutynowych, o coraz mniejszych gabarytach Druga grupa to aparaty mocno wyspecjalizowane (np. okulistyczne, do badania skóry), trzecia rozbudowane (np. łącznie z badaniami dopplerowskimi, licznymi formami zobrazowań i funkcji pomocniczych) .

Kierunkach rozwoju techniki ultradźwiękowej w medycynie : - w kierunku poszerzenia możliwości zastosowań (np. aparaty wspomagające laparoskopię, endoskopia ultradźwiękowa ) - doskonalenie zobrazowań trójwymiarowych w czasie rzeczywistym .

Poza typową ultrasnografią trwają też badania nad tomografią ultradźwiękową i akustooptyczną, oraz nad udoskonalaniem magnetycznego rezonansu jądrowego przez wprowadzenie oddziaływania ultradźwięków na obraz MR.

Echoson - ultrasonograf przenośny "desmin"

DESMIN przeznaczony jest do gabinetów prywatnych

DESMIN H

wersja z monitorem wbudowanym

DESMIN F

wersja z oddzielnym monitorem

TRYBY SKANOWANIA

- B mode, - B+B mode, - M mode (dwie prędkości przesuwu), - ZOOM (powiększenie ok. x 2.0 ).

Echoson - ultrasonograf "ONYX-II"

- Echoson - ultrasonograf -

TRYBY SKANOWANIA - B mode (B, B+B, 4B, B+Zoom, Zoom), - M mode (M, B+M ), - PW mode (Pulsed Wave Doppler), - CF mode (Color Doppler), - PF mode (Power Doppler), - Triplex (B + CF/PF + PW

Siemens - sonoline elegra

Siemens - lithostar multiline

Ultrasonograf Alfa

Ultrasonograf Alfa

jest aparatem stacjonarnym typu "compact" przeznaczonym do wszelkich ogólnych badań USG, na każdym poziomie opieki medycznej.

Umożliwia wykonywanie badań dopplerowskich (CW/PW) w zakresie oceny przepływu krwi w naczyniach obwodowych i w sercu.

Ultrasonograf Sigma

Ultrasonograf Sigma

jest aparatem przenośnym przeznaczonym do wszelkich ogólnych badań USG, na każdym poziomie opieki medycznej

Bibliografia

1. Palmer P.E.S. (redakcja) "Diagnostyka ultrasonograficzna", Wydawnictwo Lekarskie PZWL, wydanie II, Warszawa 2000. 2. Nowicki A. "Diagnostyka ultradźwiękowa " podstawy fizyczne ultrasonografii i metod dopplerowskich", Wydawnictwo medyczne AKMED, Gdańsk 2000. 3. Nowicki A. "Podstawy ultrasonografii dopplerowskiej", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1995. 4. Knoch H. G., Knauth K. "Leczenie ultradźwiękami", PZWL, Warszawa 1984. 5. Śliwiński A. "Ultradźwięki i ich zastosowania" - seria "Fizyka dla przemysłu", WNT, Warszawa 1993. 6. Jagodziński Z. "Przetworniki ultradźwiękowe", WKŁ, Warszawa 1997. 7. Żyszkowski Z. "Podstawy elektroakustyki", WNT, Warszawa, jedno z kilku wydań, np. II z 1966. 8. Ryżko S., Ebert J. "Wzmacniacze rezonansowe i generatory mocy wielkiej częstotliwości", WNT, Warszawa 1968. 9. Śliwiński A. "Ultradźwięki i ich zastosowania" - wydanie drugie, zmienione, WNT, Warszawa 2001.