Ultraljudsfysik

Falun 161108

Historik

• Det första försöken att använda ultraljud inom medicin gjordes på 1940-och 1950-talet.

• 1953 lyckades två kardiolger i Lund (Edler och Hertz) med hjälp av en lånad utrustning avsedd för industriell materialprovning registrera hjärtklaffars rörelser.

Historik

• De första tvådimensionella medicinska bilderna framställdes 1958.

• Klassisk obstetrisk/gynekologiskt avhandlingsarbete från Lund publicerades 1964.

• Sedan mitten av 1970-talet har blivande mödrar erbjudits ”rutinultraljud”.

Mekaniska vågor

• Elektromagnetiska vågor kan ta sig fram nästan överallt, till och med passera rätt igenom vakuum,

• Ultraljudsvågor kräver ett fysikaliskt medium

• Ultraljudstekniken är känslig och detekterar små förändringar i mjukvävnad

Grundläggande akustiska principer

Den mänskliga hörseln

kan uppfatta vibrationer

med en frekvens upp till

20 000 svängningar per

sekund eller 20 kHz.

Ljud med högre frekvens kallas ultraljud

Ljudintervall

Fysik

• I klinisk diagnostisk definierad verksamhet används 1-7 MHz.

• Medelvärdet för ljudhastighet i kroppens olika mjukvävnader är 1540 m/s.

Frekvens

• Antalet svängningar per sekund

- anges i Hertz

- En period – tiden för en svängning

Fysik

• Våglängd = ljudhastighet/frekvens

• Ju högre frekvens desto kortare våglängd

• Hög frekvens - god upplösning men sämre penetrans

Ultraljudsfysik

• Ljud med hög frekvens har en kortare våglängd

•En hög frekvens/kort våglängd betyder att det finns en möjlighet särskilja 2 punkter på kortare avstånd som ligger närmare varandra än vid en låg frekvens

Frekvens

• Alltså – hög frekvent ljud når inte så långt men ger god upplösning (bra bild)

• Och- lägre frekvens når längre i vävnaden men ger sämre upplösning.

• De olika givarna (transducers) har olika frekvenser.

Ultraljudsfysik

• Ultraljud = ljud

• Ultraljudsdiagnostik = bilder = ljus

• Bilden är en konstruktion

• Förståelse för fysiken ger möjlighet till bildoptimering

Ljudhastighet

Från akustisk synpunkt kan kroppens

mjukvävnader betraktas som en vätska.

De flesta mjukvävnader uppvisar endast smärre skillnader i ljudhastighet, och därför används ofta ett medelvärde på 1 540 m/s som enhetsvärde på ljudhastigheten i mjukvävnad.

Piezoelektricitet

•Ultraljud skapas i transducern med en spänning som läggs över kiselkristaller som besitter piezoelektriska egenskaper.

•Den egenskapen finns hos tjugotalet naturliga kristaller.

Piezoelektricitet

• Speciellt formade piezoelektriska kristaller hamnar i självsvängning när de utsätts för en växelspänning med mycket exakt frekvens. Ljudpuls bildas och tvärtom bildas elektrisk potential när den träffas av ljudenergi.

Akustisk impedans

• Utsänt ljud reflekteras i gränsytor

• Akustisk impedans är hur mycket rörelse en ljudvåg skapar i material. Rörelse betyder att ljudvågen fortsätter i det nya materialet. Är det skillnad mellan två olika medium kommer en del av ljudvågen att reflekteras. Ju större skillnad det är mellan medierna desto mer ljud reflekteras.

•Om stor skillnad, som mellan gas och annan vävnad blir det total reflexion

• Vid många små gränsytor sprids reflexerna →”scattering”

Ultraljudsfysik• Tiden för ekot omvandlas till ett avstånd på ultraljudsbilden

• Ljudets utbredningshastighet varierar i olika media: hög i ben/metall, låg i luft

• Ultraljudets utbredningshastighet i vävnad approximeras till 1540 m/s ~ vatten

Olika ultraljudsystem

• A-mode: endimensionell reflektion av en ljudvåg. Tar emot och presenterar ekoinformation endast längs den inriktning som ljudstrålen för tillfället har. Ger bara ”streck” i gränsytor

Olika ultraljudsystem• B-mode: en två dimensionell presentation av ljudvågsekon som uppstår i

gränsytor i ett plan. A-mode amplituden jobbar mot en oscilloscopskärm och intensiteten i eko-svaren ger olika gråskalor i bilden.

Olika ultraljudsystem

• M-mode: möjliggör registrering av av eventuella rörelser i strukturer som finns längs ljusstrålens riktning. Bygger på konsekutivt utsända B-modepulsar/ekon som flyttas fram längs en långsam tidsaxel.

Olika ultraljudsystem

• Doppler: år 1842 förklarade österrikaren Christian Johann Doppler ett då aktuellt fenomen: ljudet från en tågvissla låter högre i tonläge när tåget kommer emot oss än när det far ifrån oss.

Doppler

Doppler

•Mäter hastighet

•Vid mätning av blodflödeshastighet är det de röda blodkropparna som i huvudsak ger upphov till reflekterad signal. Den får ändrad frekvens proportionell till hastigheten som blodkropparna rör sig i.

•Dopplerskift: skillnaden i utsänd och mottagen signal.

•Alla dopplerskift som genereras av blodflödeshastigheter hamnar inom det hörbara frekvensområdet.

Doppler

• Kontinuerlig doppler mäter alla hastigheter utefter ultraljudsstrålens längd

• Pulsad doppler: här kan man mäta hastigheten i ex. ett bestämt blodkärl, på ett önskat djup