ultrazvuk2007

FIZIKA U MEDICINI: ULTRAZVUK U MEDICINSKOJ DIJAGNOSTICI

Prof. Dr Slobodanka Stanković

Prirodno-matematički fakultet – Departman za fizikuUniverzitet u Novom Sadu

21000 Novi Sad Trg Dositeja Obradovića 4

E-mail: [email protected]

SADRŽAJ PREDAVANJA

UVOD: ZVUK I ULTRAZVUK

I DEO: GENERISANJE I DETEKCIJA ULTRAZVUKA

II DEO: REFLEKSIONA (EHO) TEHNIKA U MEDICINSKOJ DIJAGNOSTICI

III DEO: DEJSTVO ULTRAZVUKA NA BIOLOŠKE SISTEME


Pravac oscilovanja čestica

Pravac prostiranja talasa

ZVUK JE MEHANIČKI LONGITUDINALNI TALAS FREKVENTNOG OPSEGA 20 – 20.000 Hz

a.

b.

t=Tt=0

v =T

x, t

s

v

MEHANIČKI TALASI – OSNOVNE KARAKTERISTIKE


p

x,t

pmax

0

s

x,t0

klip

ZVUČNI TALASI U GASOVIMA – INTENZITET TALASA

I = Φ/S = (½) ρ A02ώ2


Zvuk

Ultrazvuk

Frekvencija

20-20.000 Hz

20.000 Hz – 109 Hz

Intenzitet

10-12 W/m2- 10 W/m2

Dijagnostički 10 - 40 W/m2

Terapeutski > 1.000 W/m2

Zbog svoje velike prodornosti i interakcije sa materijalnom sredinom (tkivom), ultrazvuk se široko primenjuje u skoro svim granama medicine i to, pre svega, u dijagnosti, ali se takođe koristi u terapiji i hirurgiji.

U poređenju sa ostalim tehnikama oslikavanja, kao što su kompjuterizovana tomografija (CT) i megnetna rezonanca (MR), aparatura za ultrasonografiju je mnogo jednostavnija i jeftinija, a opasnosti od izlaganja organizma ultrazvučnim talasima su mnogo manje u poređenju sa jonizujućim zračenjem.


Generisanje i detekcija ultrazvuka - osnovni principi• inverzni piezoelektrični efekt• pretvarači ili transdjuseri• Aparat se sastoji od generatora i aplikatora. Generator proizvodi električne

oscilacije različitog napona i frekvencije, koje se konvertuju u aplikatoru u odgovarajuće mehaničke (ultrazvučne) oscilacije.

ka generatoru i mernoj tehnici

ka pacijentu

metalni sloj

prigušni blokmetalno kućištepločica


Kontinuirani i pulsni zvučni talas

pravac prostiranja zvuka

transdjuser

vibrirajuća površina vibrirajuće čestice

a/ prostiranje kontinuiranog talasa

b/ prostiranje pulsnog talasa


Generatori i detektori ultrazvuka (transdjuseri)•transdjuseri napravljeni od jednog elementa (a)•transdjuseri napravljeni od više elemenata: liearni niz (b) i prstenasti niz (c)

a

b c

elevaciona ravan

azimutalna ravan

Fxy (fiksirani)

z

transdjuser

sočivo

y

x

sistem za elektronsko vođenje

transdjuser

Fxy (promenljivi)

x

y

z

Fx (promenljiv)

transdjuser

Fy (fiksiran)

y

x

z

Prstenasti transdjuser sa elektronskim vođenjem

satsistema

nemakašnjenja

kratkokašnjenje

dugokašnjenje

nemakašnjenja

nemakašnjenja

transmiter

transmiter

transmiter

sabirač

nemakašnjenja

kratkokašnjenje

nemakašnjenja

dugokašnjenje

PRIJEMNIK

talasni front

fokus

putna razlika

ELEKTRONSKI SISTEM PRSTENASTI TRANSDJUSER

fiksirano kašnjenje

promenljivo kašnjenje


a. b. c.

ravan transdjuser

T=d2/4

blisko polje daleko polje

sin = 1,22/d

d

Ultrazvučni snop - osnovne karakteristike

a) slabo fokusirajući transdjuser

0,6 T fokus

radijus krivine R = T

b) srednje fokusirajući transdjuser

0,24 Tfokus

radijus krivine R = 0,25T

Interakcija ultrazvuka sa materijalnom sredinom

ultrazvučna sonda

granične površine

rasejanje u nehomogenoj sredini

refleksija

transmisija

1. Ponašanje ultrazvuka pri prolasku kroz homogenu sredinu

• Materijal (kg/m3) v (m/s) Z (kg/m2s) (dB/mm)pri 1 Mhz

• Vazduh 1,29 331 4,30 x 102 0,12

• Voda 1,00 x 103 1480 1,48 x 106 0,0002

• Krv 1,02 x 103 1560 1,60 x 106 0,02

• Masno tkivo 0,92 x 103 1450 1,33 x 106 0,03

• Mišično tkivo 1,04 x 103 1580 1,64 x 106 0,07

ZZAAI ;2

1

2

1 2222

generator detektor

I0 Id

d

Id = I0 e-2d

= (1/2d) ln(I0/Id)

2. Ponašanje ultrazvuka na granici dveju homogenih sredina

• Koeficijent refleksije (R) i koeficijent trasmisije (T) R + T = 1

21

12

0 ZZ

ZZ

A

AR

21

1

0

2

ZZ

Z

A

AT

0.2 0.4 0.6 0.8 10

20

40

60

80

100

Z1/Z2

R, T (%)

R

T

2

00

A

A

I

I RR2

01

2

0

A

A

Z

Z

I

I TT

Ponašanje ultrazvuka na granici dveju homogenih sredina - primeri

Primer 1. Izračunajte kolika će biti amplituda i intenzitet reflektovanog i transmitovanog talasa u odnosu na upadni talas pri prelasku ultrazvuka iz vazduha u mišić. Vrednosti odgovarajućih akustičkih impedanci uzeti iz Tabele.

AR / A0 = (Z1-Z2)/(Z1+Z2) = (1,64x106 - 430)/(1,64x106 + 430) = 0,9995, AR = 0,9995 A0

AT / A0 = 2Z1 / (Z1+Z2) = 2 x 430 / (1,64x106 + 430) = 0,0005, AT = 0,0005 A0

IR / I0 = (AR / A0)2 = 0,99952 = 0,9990 IR = 0,9990 I0

IT / I0 = (Z2/ Z1) (AT / A0)2 = (1,64x106/430) 0,00052 = 0,0009 IT = 0,0009 I0

Primer 2. Koristeći podatke iz iste tabele izračunajte kolika će biti amplituda i intenzitet reflektovanog i transmitovanog talasa u odnosu na upadni talas pri prelasku ultrazvuka iz vode u mišić.

AR / A0 = (Z1-Z2)/(Z1+Z2) = (1,64 - 1,48)x106/(1,64 + 1,48)x106 = 0,0513, AR = 0,0513 A0

AT / A0 = 2Z1/(Z1+Z2) = 2 x 1,48x106/(1,64x106 + 430) = 0,9487, AT = 0,9487 A0

IR / I0 = (AR / A0)2 = 0,05132 = 0,0026 IR = 0,0026 I0

IT / I0 = (Z2/ Z1) (AT / A0)2 = (1,64 /1,48) x 0,94872 = 0,9973 IT = 0,9973 I0

Ultrazvučna slikaOblik ultrazvučne slike (ultrasonic scan)

a. sektorski oblik b. linearni oblik c. konveksni oblik

Dobijanje linearne i sektorske UZ slike

voda ili ulje

rotirajuća glava motora

oscilujuća glava motora

točak sa tri transdjuseratransdjuseri

kontakt sa pacijentom

ba c

TRANSDJUSERI ZA DOBIJANJE SEKTORSKE, LINEARNE I KONVEKSNE ULTRAZVUČNE SLIKE

Elektronska obrada ultrazvučne slike

Blok dijagram ehografa

transmiter

prijemnik procesiranje signala

DISPLEJ

A

II DEO: ULTRAZVUČNA DIJAGNOSTIKARefleksiona (eho) tehnika u medicinskoj dijagnostici

Većina dijagnostičkih primena ultrazvuka bazira se na pulsnoj eho tehnici.

Ultrazvučna sonda je i generator primarnog pulsa i registrator reflektovanog pulsa.

Vreme emitovanja pulsa je veoma kratko, reda veličine 1 ms. Sondi je potrebno oko 1% perioda za emisiju pulsa. 99% perioda sonda deluje kao prijemnik reflektovanog pulsa. Komercijalne dijagnostičke sonde su ekstremno osetljivi prijemnici i mogu da registruju reflektovane pulseve čija energija iznosi svega 1% od energije emitovanog pulsa.

Eho se vraća u sondu sa kašnjenjem koje odgovara dubini reflektujuće površine.

Atenuacija (slabljenje) snopa u biološkim tkivima zavisi od upotrebljene frekvencije.

Proporcionalno veća frekvencija koristi se za ispitivanje manjih struktura.

Eho tehnika se upotrebljava za statička i dinamička merenja:• Statička merenja mogu biti jednodimenziona (A-scan), dvodimenziona

2D (B-scan) i trodimenziona (3D). • Za dinamička merenja se koriste M-scan metod i Doplerova tehnika,

kao i „real time“ B-scan i 4D prikaz.

II DEO: ULTRAZVUČNA DIJAGNOSTIKA

A-scan

(a)

d

d1

(b)

s

(c)

A-scan: Pikovi odgovarajućih amplituda pokazuju položaj zidova suda (a); Prikaz položaja prepreke u sudu (b); Prikaz prepreke koja osciluje (c).

A-scan u oftalmologiji

A-scan se ređe upotrebljava u medicinskoj dijagnostici.

Koristi se u oftalmologiji za merenje dimenzija elemenata oka. Na osnovu dobijenih podataka i jednostavnog softvera može se brzo i dovoljno precizno odrediti potrebna dioptrija naočara za eventualnu korekciju vida.

A-scan u ehoencefalografiji Ovaj metod se takođe sa uspehom koristio (naročito pre pronalaženja CT) u otkrivanju tumora mozga. Potrebno je napraviti dva snimka postavljanjem sonde sa jedne pa zatim sa druge strane glave. Ukoliko srednja linija glave nije u istom položaju na oba snimka, to ukazuje na mogućnost da se u jednoj polovini mozga nalazi neka lezija.

B-scan

• Pomeranjem sonde duž posude dobija se niz horizontalnih linija jednodimenziono moduliranog intenziteta. Slaganjem ovih linija po vertikali dobija se druga dimenzija, a time i dvodimenziona slika.

• Za statičan objekt brzina pomeranja sonde može biti onakva kakvu želimo. Moguće je i duže zadržavanje na nekim od linija kod kojih je uočena neka nepravilnost.

• Pri ručnom skeniranju slika se mora uskladištiti putem analognog ili digitalnog scan-konvertora. Tada govorimo o tehnici specijalno orijentisanog B-moda, koji daje dvodimenzionu sliku poprečnog preseka objekta.

U slučaju kretanja objekta sonda se mora pomerati što je moguće brže, čime se slika preseka dobija u kratkom vremenskom intervalu i sinhrono prati promene usled pomeranja objekta. Ova tehnika se naziva brzi (“živa slika” ili "real time" B-mod).

A-scan, B-scan i 2D B-scan

Primer upotrebe A-scana, B-scana i dvodimenzionalnog B-scana za analizu stacionarnog objekta prikazan je na slici. Slika u A-modu i jednodimenzionom B-modu dobija se pri fiksiranom položaju sonde. Dvodimenzioni B-scan se dobija pomeranjem sonde po površini pacijenta.

mehanički skener

A-scan

B-scan

2D B-scan

granice skeniranja sonda

2D B-scan tehnika ima najveću primenu u opstetriciji, gde daje informacije o razvoju fetusa, položaju placente i anatomiji fetusa, u vizuelizaciji jetre, bubrega, bešike, pankreasa, tiroidne žlezde, oka, dojke i krvnih sudova. Moguće je detektovanje lezija (mogu se uočiti razlike između čvrstog tumora i tečne ciste).

“Real time” B-scan

Brzo skeniranje se može realizovati ili brzim mehaničkim pomeranjem jedne ili više jedno-elementnih sondi, ili elektronskim uključivanjem i kontrolom niza sondi.

aktivni element

"Real-time" sistemi omogućuju da se strukture koje se brzo kreću (naročito srce) oslikavaju i ispituju u dve dimenzije. Upotreba "real-time" sistema umesto "statičnog" B-scana je pogodnija jer omogućuje bržu identifikaciju struktura i njihovih odnosa.

M-scan

• M-scan se koristi u ispitivanju kretanja bioloških struktura. Koristi se za ispitivanje širenja i skupljanja krvnih sudova pri proticanju krvi kroz njih, za praćenje pomeranja zidova srca u toku srčane aktivnosti i sl.

bvreme

a c

A-scan, 2D B-scan i M-scan

Kombinovani prikaz 2D B-scanai M-scana

Kombinovani prikaz“Real time” B-scana i M-scana

Trodimenziona (3D) ultrasnografija• Za trodimenzionu rekonstrukciju posmatranog objekta potrebno je imati veliki

broj podataka. Oni se mogu dobiti primenom tomografije, odnosno snimanjem velikog broja slika tankih slojeva pod različitim uglovima. Ti slojevi su najčešće paralelni sa površinom transdjusera (C-scan).

Ovaj način ultrasonografske dijagnostike se pokazao naročito koristan u kardiologiji i angiologiji, ali se može upotrebiti i u drugim oblastima medicine.

pixel voxel

(a) (b) (c)

Vizuelizacija 3D prikaza pomoću preseka

Slika 6.13. Tri međusobno normalna preseka zapremine; na ekranu se vide kombinacije A+B i

A+C preseka.

Prevođenje 3D u 2D prikaz

voxel

pixel

ZAPREMINA

2D PRIKAZ

x

yz

x

y

2D, površinski 3D i 4D prikaz

Četvorodimenzionalna ultrasonografska slika dobija se kada se prethodnim parametrima, koji određiju tri dimenzije ispitivanog tela, doda vreme kao četvrta dimenzija. U tom slučaju se može posmatrati pomeranje tela u realnom vremenu.

OB - Fetal Face fourSight™ 4D ultrasound imaging technolog

Dopler i kolor Dopler u ultrasnografiji

Ultrazvučna doplerska sonografija je grupa tehnika koje koriste Doplerov efekt u cilju merenja ili oslikavanja brzine toka krvi u krvnim sudovima i srcu. Osnovne tehnike su:

• Kontinuirani ultrazvučni (CW) dopler,• Pulsni ultrazvučni (PW) dopler,• Kolor dopler.

ultrazvučna sonda

krvni sud brzina eritrocita

transmitovani snop reflektovani snop

Primena Doplerove metode na određivanje brzine kretanja eritrocita.

= fD c / 2ft cos

crveno

Plavo

KOLOR DOPLER

Normal Carotid Arteries branching into ICA, ECA, and STA

Narrowing of the Carotid Artery due to extensive plaque (red segment)

Turbulent Flow patterns in large abdominal aortic aneurym

Leaking Intraluminal Aortic Graft

Sistolna mitralna regurgitacija dobijena pomoću kolor doplera,zajedno sa dvodimenzionim B-scan sektorskim ultrazvučnim prikazom.

Kidney - Renal FlowPower Doppler Imaging

Kidney - Renal VasculaturefourSight™ 4D ultrasound imaging technology

FIZIKALJUDSKOG

ORGANIZMA

SLOBODANKA STANKOVIĆ

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET

DEPARTMAN ZA FIZIKU

SLOBODANKA STANKOVIĆ

FIZIKALJUDSKOG ORGANIZMA

ZA STUDENTE MEDICINSKE FIZIKE I MEDICINE

NOVI SAD, 2006.

Documents

ultrazvuk2007