ULTRAHELI

Ivo PruulTartu Ülikooli KliinikumMeditsiinitehnika Insener2008

SISSEJUHATUS

Ultraheli on mitteinvasiivne eksamineerimise meetod, mis annab arstile võimaluse näha patsiendi keha sisse reaalajas.

Ultraheli uuring põhineb organismi saadetud ja sealt tagasipeegeldunud kõrgsageduslike mehhaaniliste võngete intensiivsuse registreerimisel.

Seda tehakse käeshoitava anduri abiga, mis on inimkehaga kontaktis. Parema kontakti saavutamiseks kasutatakse veel põhinevaid geele.

Saadud andmete analüüsimisel esitatakse must-valge pilt.

Peamine eelis ultraheli uuringul teiste uuringute ees on see, et teadaolevalt pole tal kahjulikke kõrvalmõjusid.

AJALUGU

Ultraheli avastati 1930. a. Võeti kasutusse sõjalisel otstarbel.

Meditsiinis hakati ultraheli kasutama 1942. a. Dr. Georg Ludwig’i poolt.

Esimest värvilist dopplerit demonstreeris Geoff Stevenson.

FÜÜSIKAULTRAHELI DEFINITSIOON

Ultraheli on helilaine mittekuuldava sagedusega 20 kHz kuni 1GHz. Meditsiinis kasutatakse sagedusi kuni 10MHz.

Ultraheli genereeritakse pieso kristallide mehaanilise deformatsiooni käigus.

Ultraheli ei levi väga hõredates keskkondades Tihedamates keskkondades on probleemiks helivõnkumise

viimine sellesse, kuna suurem osa peegeldub pinnalt tagasi.

FÜÜSIKA HELILAINETE LEVIMINE

Laine levik sõltub materjalist:Gaasiline keskkond – võnkumised sumbuvad kiiresti.Tihe keskkond – peegeldatakse tagasi peaaegu kõik helilained (luu, metall, kaltsium jne).Vedel keskkond – kõige ideaalsem keskkond helilaine levimiseks.

FÜÜSIKA HELILAINETE LEVIMINE Lainepikkuseks nimetakse kaugust kahe teineteisele lähima, samas

faasis võnkuva punkti vahel. Lainepikkus bioloogilises koes sõltub heli levimiskiirusest ja sagedusest.

λ – lainepikkus, (m) ν – laine levimiskiirus, (m/s) f – sagedus, (1/s=Hz)

Sagedusest ja amplituudist sõltub mõju intensiivsus

FÜÜSIKA HELILAINETE LEVIMINE

Heli kiirus bioloogilises koes sõltub molekulide massist, paigutusest ja jõust nende vahel.

Rahvusvahelise standardina on heli kiirus bioloogilises koes 1540 m/s.

Keskkond Kiirus (m/s)Õhk 330Veri 1570Rasvkude 1460Lihaskude 1580Luu 3500

FÜÜSIKA AKSIAALRESOLUTSIOON

Aksiaalresolutsioon näitab teineteist katvate objektide eristatavust.

Aksiaalresolutsioon sõltub sagedusest. Kujutis on detailsem kõrgematel sagedustel. Mida suurem on ultraheli sagedus, seda väiksem

on lainepikkus ja seda kiiremini helilained neelatakse.

Sagedus (MHz) Lainepikkus (mm)2.5 0.625.0 0.317.5 0.2110 0.15

FÜÜSIKA AKSIAALRESOLUTSIOON

FÜÜSIKA HELILAINETE SUPERPOSITSIOON

Kui helilaineid tekitab mitu allikat ning kui nad levivad samas sihis, siis nad liituvad.

Kui toimub liitumine samas faasis, toimub lainete võimendumine ning edasi levib kahe laine summaarse võimsusega laine.

Juhul kui lained liituvad vastasfaasis, siis nad summutavad üksteist. Kui nad on täpselt vastasfaasis ja samasuguse amplituudiga , siis kustutavad nad üksteist täielikult.

FÜÜSIKA PEEGELDUMINE JA ÜLEKANNE

Ultraheli töö põhineb helilainete peegeldumisel ja ülekandel.

Laine käitumine kahe keskkonna piiril sõltub keskkondade vahelisest tihedusest.

Alati peegeldub osa lainest tagasi ja osa tungib teise keskkonda.

FÜÜSIKA HAJUMINE

Hajumine toimub väikeste peegeldajate ümber

FÜÜSIKA DOPPLERI EFEKT

Cristian Johan Doppler kirjeldas efekti, mis juhtub lainega, kui heli allika ja jälgimispunkti vahelist kaugust muuta. Kui kaugus väheneb, siis jõuab vaatlejani rohkem

lainetsükleid. Kui kaugus suureneb, siis jõuab sama aja jooksul

vaatlejani vähem lainetsükleid.

Efekt seisneb selles, et anduri kiiratud laine peegeldub tagasi faasinihkega võrreldes esialgsega. Faasinihke suurus on otseselt seotud liikumiskiirusega.

Doppleri efekti kasutatakse ultraheli diagnostikas jälgimaks vere liikumist soontes ja kudedes. Samuti ka südame uurimiseks reaalajas.

FÜÜSIKA DOPPLERI NIHE

Liikuvatele verelibledele lastakse peale kindla sagedusega helilained, tagasi peegeldudes on helilainete sagedus muutunud. Seda nimetatakse Doppleri nihkeks.

Kui osakesed liiguvad meie poole, siis sagedus kasvab ja vastupidi.

v – vere voolamise kiirus V – heli kiirus veres f – kiirgaja sagedus Θ – vere liikumise suuna ja ultraheli liikumise suuna

vaheline nurk

FÜÜSIKA DOPPLERI NIHE

Kuna me ei saa ultraheli andurit suunata vere voolamise suunas, siis on oluline valida õige nurk vere liikumise suuna ja ultraheli liikumise suuna vahel.

Kasutatav nurk on vahemikus 10 kuni 60 kraadi. Kui nurk on suurem, siis saame ebatäpseid

väärtusi.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT PIESOELETRILISED OMADUSED

Ultraheli genereerimiseks kasutatakse piesoelektriliste omadustega kristalle. Pinge rakendamisel piesokristallile ta deformeerub.

See mehaaniline liikumine genereerib helilaineid. Kohe pärast pinge rakendamist kristallile jääb andur

ootama tagasipeegeldunud laineid. Tagasipeegeldunud lained tekitavad kristallis pinge,

mis registreeritakse. Sellisteks kristallideks on nt kvarts, Rochelle soolad,

barium titanaat.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ULTRAHELI ANDUR

Piesokristallide rida on paigutatud elektroodide vahele, mida kasutatakse elektrilise ühenduse saamiseks.

Nende kontaktidega toimub nii kristalli ergutamine, kui tagasipeegeldunud lainete tekitatud voolu vastuvõtmine.

Lainete fokuseerimiseks kasutatakse akustilist läätse. Fokuseerimine toimub kuna lained väljuvad läätse keskelt hiljem kui äärtest.

Kuna kristalli akustiline takistus erineb suurelt inimkeha akustilisest takistusest, siis on see pakett kaetud takistust sobitava materjaliga.

Kasutatakse selleks, et vältida topelt peegeldumist erineva akustilise takistusega piirkondade vahel.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ULTRAHELI ANDUR

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ULTRAHELI ANDURITE TÜÜBID

Sageduse järgi on anduritel erinev rakendus.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ULTRAHELI ANDURITE TÜÜBID

Andurid jagunevad veel: Mehaanilised andurid – 1, 2 või 4 liikuvat kristalli. Elektroonilised andurid –üle 400 kristalli, mis alati ei

pruugi üheaegselt töötada.

Elektroonilised andurid omakorda erinevad oma laotuse tõttu:

Lineaarsed andurid – kasutatakse pinnalähedaste objektide, veresoonte neerude, lihaste, naha ja rinna uurimiseks (5-10MHz).

Kumer- ehk konveksandurid – kasutatakse keha sügavamal asuvate objektide uurimiseks, näiteks alakeha uuringuteks.

Sektorandurid – töötab madalatel sagedustel (2-3,5MHz). Peamiselt kasutatakse südame ja närvisüsteemi uuringuteks, samas ka alakeha uuringuteks.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ULTRAHELI ANDURITE TÜÜBID

Lineaarsed andurid – kasutatakse pinnalähedaste objektide, veresoonte, neerude, lihaste, naha ja rinna uurimiseks.

Töötab sagedustel 5-10 MHz.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ULTRAHELI ANDURITE TÜÜBID

Kumer- ehk konveksandurid – kasutatakse keha sügavamal asuvate objektide uurimiseks, näiteks alakeha uuringuteks.

Töötab madalamatel sagedustel kui lineaarandur.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ULTRAHELI ANDURITE TÜÜBID

Sektorandurid – Kasutatakse peamiselt südame ja närvisüsteemi uuringuteks, samas ka alakeha uuringuteks.

Töötab sagedustel 2-3,5 MHz.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ELEKTROONILISELT JUHITAVAD ANDURID

Kõige lihtsam elektrooniliselt juhitav andur on lineaarandur, mis koosneb üksteise kõrvale paigutatud elementidest. Lineaaranduris on rohkem kui 400 kristalli. Kõiki kristalle korraga ei kasutata, korraga kirjutatakse näiteks kuue elemendi poolt, seejärel nihkub elementide rida ühe kristalli võrra edasi. Süsteem jätkub seni kuni kogu pilt on koostatud. Kogu protsessi kiirus peab olema väiksem kui 20 pilti sekundis.

Samuti töötab ka konveksandur, kuid temal on kristallid asetatud teisiti.

ULTRAHELI TEKITAMINE JA VASTUVÕTT ELEKTROONILISELT JUHITAVAD ANDURID

Sektorandur koosneb 64-96-st kristallist. Selle anduri puhul töötavad kõik kristallid korraga. Et tekiks sektori kujuline vihk on igal kristallil oma hilistusväärtus.

ULTRAHELI APARAADI TÖÖPÕHIMÕTE

SIGNAALI ESITUSVIISID

Esitlus – Enamik ultraheli seadmeid esitavad pildi kahedimensionaalselt, nii et pildi ülaosas on andur ja edasi liigutakse järjest sügavamale inimkeha sisse.

Sügavus – sõltub anduri sagedusest, väiksema sagedusega näeb sügavamale, kuid väheneb pildi resolutsioon.

SIGNAALI ESITUSVIISID

A mood A ehk amplituud moodis esitatakse signaal ühe joonena.

Andur edastab lühikesi pulsse ja võtab vastu nende peegeldusi. Pulsi sagedus peab olema suurem kui aeg, mis on vajalik signaalide vastuvõtuks koe sügavamatest kihtidest. A mood on meditsiinis kasutatav objektide avastamiseks silmas, silma aksiaalmõõtmete määramiseks ja aju keskjoone struktuuri määramiseks.

SIGNAALI ESITUSVIISID

B mood Tähistus tuleb sõnast brightness ehk heledus. See esitusviis

on tänapäeva ultrahelidiagnostikas kõige tavalisem, kuna ta näitab anduri aluse pinna läbilõiget signaali suuna tasapinnas. Pilt on kahedimensionaalne ja reaalajas. Kõrgem amplituud annab heledama pikseli.

SIGNAALI ESITUSVIISID

M-mood Nimi tuleb sõnast motion ehk liikumine. Saadav kujutis on

ühedimensionaalne, esitus aga kahedimensionaalne. Teiseks dimensiooniks on kujutisel aeg. Põhiline M moodi kasutusala on südame klappide töö uurimine. Kasutatakse põhiliselt koos B moodiga, millel näidatakse ära soovitav allikas.

KUDEDE VÄLJANÄGEMINE

Nahk – sile ja hele Rasvkude – tume Lihaskude – tume, kui helilained peegelduvad

risti; kui helilained peegelduvad lihaskoega samas suunas, siis on näha lihaskoe ehitust

Vedelik – must Kõõlused – tavaliselt heledad, aga sõltub anduri

orientatsioonist Luu – kõige heledam, kuna kudede tiheduse

erinevus on väga suur

SIGNAALI TUGEVNEMINE JANÕRGENEMINE

Üheks tagasilöögiks ultraheli kasutamisel on signaali nõrgenemine, kui helilained liiguvad sügavamale. Sügavamalt jõuab andurini tagasi vähem laineid, seetõttu peab pilti korrigeerima.

Tugevnemine – osad struktuurid lasevad helilaineid kergemini läbi. Kuna vähem laineid neelatakse, siis järgmiste kudedeni jõuab rohkem helilaineid, kui tavaliselt. See piirkond paistab ühtlaselt heledam. Tekib näiteks tsüsti korral.

Nõrgenemine – tugevnemise pöördefekt, kus osad koed neelavad rohkem helilaineid, mistõttu järgmiste kudedeni jõuab neid vähem. Näiteks neerukivid.

ARTEFAKTID

Artefaktide tekke põhjused: Ultraheliaparaadi kalibreerimisest heli leviku

kiiruse järgi, arvestamata tegelikku heli levimiskiirust eri keskkondades.

Organismis pole pinnad siledad ega sirged, vaid kaarjad.

ARTEFAKTID Reverberatsioon

Artefakt on tekkinud mitmekordsetest peegeldustest väga tugevatelt peegeldajatelt. Kujutis tekib paralleelsetest joontest.

Komeedi saba ehk ring-down artefakt Tekib teineteisele lähedal olevate paralleelsete piirjoonte vahel. Eriti kui

need struktuurid sisaldavad veel õhku või õhukest vedelikukihti. Peegelpildi artefakt

Tekib kui kahe erineva keskkonna vahel on tugev peegeldaja. Tüüpilisemaks kohaks on maksa ja kopsu vahel. Kopsu osale tuleb juurde maksa kaja. (valed muljed kopsuosa tihenemisest või kajarikkast vedelikukogusest pleuraõõnes).

Duplikatsiooni artefakt Sarnane peegelpildi artefaktiga ja tekib seetõttu, et mõningad

anatoomilised struktuurid on akustilise läätse kujulised. Kaja võimendus

Tekib siis kui heli läbib keskkonda, kus sumbumine on väike. Tekib vedelikke täis struktuuride taga. See artefakt aitab määrata kas tegu on sõlmelise muutusega või tsüstiga

Varju teke Kaja amplituudi alanemine. Akustiliste varjude allikaks on kivid, luu või

gaas.

ULTRAHELI APARATUUR

ULTRAHELI APARATUUR

TÄNAN TÄHELEPANU EEST