uLTRASCHALL
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Ultraschall den 23. April 2015 JJ9 Was ist Ultraschall? Ultraschall: Schallwellen mit Frequenzen, die oberhalb des vom Menschen wahrnehmbaren Frequenzbereichs (>20.000 Hz) liegen. Kenngrößen von Schallwellen: Schall ist eine longitudinale Materiewelle: Die Bewegung von Materieteilchen ist parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle: – Sind an Materie gebunden – Sind im Vakuum nicht ausbreitungsfähig – Breiten sich aus in Luft, Flüssigkeiten sowie biologischem Gewebe – Amplitude (maximaler Druck, »Höhe« der Welle) – Frequenz f (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde [1/s]) – Wellenlänge λ (Abstand zweier Wellenberge bzw. minimaler Abstand der Punkte gleicher Phase [m]) – Schallgeschwindigkeit c (Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem beliebigen Medium ausbreiten [m/s]) Schallgeschwindigkeit (c) – Ist abhängig vom schwingenden Medium (von dessen Dichte) (Biophysikalisches Praktikum: Ultraschall, die Bestimmung der Schallgeschwindigkeiten in Methanol, Glycerin und Wasser!) – Nimmt mit der Steifigkeit (»Festigkeit«) der Materie zu – Ist z. B. in Knochen deutlich höher als in Luft Ein Schallimpuls (Rufen) wird losgeschickt und die Zeit bis zu seiner Rückkehr (Echo) gemessen. Aus der bekannten Ausbreitungsgeschwindig keit des Schalls in Luft ergibt sich dann die Entfernung. Prinzipdes Echolots. Berechnung der Entfernung Entsprechend der Echobildung bei Hörschall wird auch Ultraschall an der Grenzschicht zwischen Materialien verschiedener „akustischer Impedanz“ (z) reflektiert. Akustische Impedanz : z = c ⋅ ρ c : Schallgeschwindigkeit Ausbreitungsgeschwindigkeit in menschlichem Gewebe ca. 1540 m/s ρ : Dichte des Stoffes Der reflektierte Anteil der Schallwelle nimmt mit dem Impedanzunterschied zu. Reflektivität (der Reflexiondgrad): Rechnen wir die Reflektivität bei den Grenzflächen von zwei Medien! Piezoelektrischer Effekt Gerichteter (uniaxialer) Druck erzeugt eine Verschiebung von Ladungen (Ladungsschwerpunkte Q1 und Q2 sind nicht gleich). Dadurch entstehen elektrische Dipole, welche ein elektrisches Feld und somit Spannung generieren. U Durch eine Kraft F auf den ungeordneten Kristall, richten sich die Dipole aus und eine endliche Spannung U kann abgegriffen werden. Inverser piezoelektrischer Effekt: Anlegen einer Spannung verformt einen Festkörper. Schematisch ist dieser Effekt in den folgenden Abbildungen gezeigt. Durch ein externes elektrisches Feld E verformt sich der ungeordnete Kristall mechanisch. Kristallographische Vorraussetzungen für Piezoelektrizität: • • • • Nicht leitend (keine freien Ladungsträger) Keine Inversionssymmetrie Kristalle: Quarz (SiO2), Lithiumniobat (LiNbO3) Keramiken: PbZrO3/PbTiO3 (PZT) sehr hoher piezoelektrischer Koeffizient, aber Blei enthalten https://www.youtube.com/watch?v=20-NEGAwuA4 Ultraschallwandler dient als Sender und Empfänger. Der rückwärtige Dämpfer sorgt dafür, dass die Welle nach außen abgestrahlt wird und die Transformationsschicht dient der Impedanzanpassung. Für einige Anwendungen (fokussierende Quellen) werden auch mehrere unabhängige Elemente nebeneinander eingebaut. Mit Hilfe geeigneter Verzögerungen ∆ti zwischen den einzelnen Elementen kann man die Richtung des erzeugten Signals festlegen und damit z.B. den US Strahl über einen Bereich scannen ohne eine mechanische Bewegung des Kopfs. Ultraschallimpulsen Skin Pulse repeating time transducer lifetime of a pulse μs ms Speed of the propagation of US in soft tissues is 1450 m/s Verschiedene Methoden der Diagnostik der Schnittbildsonographie 1. Der A-Scan (linear scan): eindimensionales Verfahren - A-Scan = Amplitudenmodus - Eindimensionale Abbildung der reflektierten Schallwellen in einem Diagramm: Darstellung der empfangenen Echos in Abhängigkeit von der Zeit - Echostärke entspricht der Amplitude - A-Scan wird zur schnellen Tiefenlokalisierung eingesetzt - Anwendung heutzutage kaum noch 2. Der B-Scan (convex scan, sektor scan) Wandler A-scan B-scan US Impulse - Darstellung der Echos als Bildpunkte mit unterschiedlicher Helligkeit auf dem Monitor - Jede Amplitude entspricht einem Helligkeits- bzw. Grau- wertbild: je stärker das Echo, desto höher die Intensität der elektrischen Signale und desto heller der Bildpunkt - 256 verschiedene Grauwerte zwischen schwarz und weiß sind an modernen Ultraschallgeräten möglich 3. M-Mode: Motion-Mode: Darstellung von Gewebestrukturen an einem bestimmten Ort als Funktion der Zeit ▬ Örtliche Veränderung echogener Strukturen über die Zeit werden in einem Orts-ZeitDiagramm (»Time-Motion«- Verfahren) dargestellt: Amplitude auf der vertikalen Achse, die von den wiederholten Impulsen erzeugten Echos auf der horizontalen Achse (Zeitachse) ▬ Kopplung mit B- oder 2D-Modus möglich 3D reconstruction With a sequence of 2D B-images, one can collect information from all the volume elements of a selected volume within the body. Auflösungsvermögen Auflösungsvermögen: Unterscheidbarkeit feiner Strukturen bzw. Mindestabstand, damit zwei Objekte gerade noch voneinander unterschieden werden können. 1. Axiales Auflösungsvermögen (in Richtung der Schallausbreitung) Die Bildauflösung in axialer Richtung ist durch die Wellenlänge bestimmt. Man wählt für die Pulsdauer mindestens 2λ/v Beispiel: die minimale Auflösung bei 3 MHz etwa 1 mm, bei 7.5 MHz etwa 0.4 mm. Da hohe Frequenzen im Gewebe stärker gedämpft werden als niedrige verändert sich das Frequenzspektrum der Pulse mit der Eindringtiefe. Außerdem verwendet man bei Untersuchungen in großer Tiefe niedrigere Frequenzen. Dies führt zu einer Abnahme der Auflösung mit der Tiefe. Frequenz Frequenz Hoch Niedrig Hoch Niedrig Körper Monitor 2. Laterales Auflösungsvermögen (in Richtung der Schallausbreitung) Die Auflösung wird durch die Strahlcharakteristik begrenzt. Die laterale Auflösung hängt stark von der Form des Schallfeldes ab und damit von dem erreichbaren Fokus des Schallfeldes. Die beste laterale Auflösung liegt im Bereich des Fokuspunktes. Mit zunehmender Frequenz verbessern sich die Auflösungseigenschaften einer Ultraschallsonde, da dann sich die Breite des Fokuspunktes verbessert wird. Als Beispiel nehmen wir an, dass wir ein Objekt in einer Tiefe von 5 cm beobachten wollen. Damit dieses noch am Rande des Fokalbereichs liegt darf die Tiefe x nicht größer sein als Auf Grund der Eindringtiefe muss f < 5 MHz sein. Die entsprechende Wellenlänge in Muskelgewebe ist λ ∼ 0.3 mm. Damit finden wir für den minimalen Durchmesser des Wandlers Damit wird die laterale Auflösung D/3 = δ ∼ 1.7 mm. US Bündel Fokus Körper Monitor Zusammenhang zwischen Frequenz, Auflösungsvermögen und Eindringtiefe: Hohe Frequenz, gutes Auflösungsvermögen, geringe Eindringtiefe Niedrige Frequenz, schlechteres Auflösungsvermögen, bessere Eindringtiefe Fokuszone: Je schmaler das Ultraschallfeld, desto größer die Detailerkennbarkeit : das Ultraschallfeld ist in der Fokuszone durch Bündelung der Schallwellen am schmalsten, die Auflösung hier am besten Elektronische Fokussierung ▬ Verschiebung der Fokuszone in variable Tiefen durch zeitlich versetzte Ansteuerung der Piezoelemente ▬ Bei modernen Ultraschallgeräten ist auch die Verwendung mehrerer Fokuszonen möglich (aber: Verminderung der Bildwiederholungsrate wegen der für jede Fokuslage erneut anzusteuernden Schallelemente) Schallwelleneigenschaften und Abschwächungsmechanismen 1. Reflexion 2. Streuung 3. Absorption und Dämpfung 4. Brechung 1. Reflexion ▬ Je größer der Impedanzunterschied an der Grenzfläche zwischen zwei Stoffen, desto stärker die Reflexion von Schallwellen ▬ Intensität der reflektierten Welle ist proportional zur resultierenden Amplitude des elektrischen Signals ▬ An der Körperoberfläche sind Reflexionen unerwünscht, deshalb wird Ultraschallgel als Kopplungsmedium zwischen Schallkopf und Körperoberfläche verwendet 2. Streuung ▬ Raue Oberflächen führen zu einer Streuung der Schallwellen ▬ Je kleiner die Reflektoren im Vergleich zur Wellenlänge des Schalls, desto größer ist die Fraktion der gestreuten Echos ▬ Streuechos sind maßgeblich für die Texturmuster der Organe verantwortlich 3. Absorption und Dämpfung ▬ Reibungskräfte dämpfen Schallwellen ab, wobei Wärme entsteht ▬ Wellenamplitude verringert sich, Intensität der reflektierten Welle wird abgeschwächt ▬ Dämpfung ist in Gewebe nahezu proportional zur Ultraschallfrequenz ▬ Zur Verringerung der Dämpfung (z. B. bei großen Eindringtiefen) Einsatz niedriger Sendefrequenzen 4. Brechung ▬ Änderung der Ausbreitungsrichtung von Schallwellen, die schräg auf Grenzflächen treffen (v. a. Grenzflächen mit glatter Oberfläche und hoher Impedanz) Der Doppler-Effekt Als Doppler-Effekt bezeichnet man die Änderung von Frequenz bzw. Wellenlänge, sobald sich Schallquelle und Beobachter relativ zueinander bewegen. Im statischen Fall: Im bewegenden Fall: æ vö f = f 0 ç1 ± ÷ è cø c: Schallgeschwindigkeit, v: Geschwindigket des Senders oder Empfängers, f: vom Empfänger gemessene Frequenz, f0: vom Sender (Quelle) abgestrahlte Frequenz Dopplersonographie Eine Ultraschallquelle sendet periodisch Druckverdichtungen aus. Trifft eine Ultraschallwelle auf eine bewegte Grenzfläche (Blutkörperchen) wird sie mit veränderter Frequenz zurückreflektiert. Diese Frequenzänderung (DopplerFrequenz) wird ausgewertet. Danke für die Aufmerksamkeit!
