imagistica us

8/17/2019 Imagistica US

1/38

IMAGISTICA CU ULTRASUNETE


2/38

I. Bazele fizice ale ultrasunetelor

Ultrasunete - unde elastice, a caror frecventa este superioarafrecventei limita superioare de perceptie a urechii umane (16Hz – 16 kHz).

ν>16 kHz ⇒ unde ultrasonore (unde US)

Limita superioara a frecventei undelor ultrasonore (1010 Hz)corespunde frecventei oscilatiilor termice ale moleculelor incorpurile solide.


3/38

Un fenomen oscilatoriu, care se propagă la distanță:propagarea unei oscilatii

Fenomen dublu periodic (în timp și spațiu):

y - elongatie - distanta momentana față de pozitia de echilibru

A - amplitudine - deplasarea maximă față de pozitia de echilibru

T - perioada - timpul in care se executa o oscilatie completax – distanța parcursă de undă în timpul t

λ - lungimea de unda – spațiul parcurs de unda in timp de o perioada

Ce este o undă?


4/38


5/38

Viteza de propagare u este dată de relația de mai jos, în careintră modulul de elasticitate, E și densitatea mediului .

ρ

Eu =

⇒ viteza US este cu atât mai mare cu

cât mediul este mai puţin deformabil şi

densitatea lui este mai mică.

În ţesuturile biologice viteză medie de aprox. 1,56 x 103 m/s.

3 Dacă deplasarea particulelor se face perpendicular pedirecţia de propagare ⇒ unde transversale - se pot propaga în

medii solide nelimitate sau în lichide foarte vâscoase.

http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html


6/38

Viteza ultrasunetelor în diverse medii


7/38

În diagnosticul ultrasonic, un rol foarte important îl arealegerea corectă a sursei de US.

Astfel, ultrasunetele de frecvenţă mare favorizează exactitateainvestigaţiei, însă odată cu creşterea frecvenţei creşte şi

atenuarea ultrasunetelor în ţesuturi, reducându-se astfeladâncimea de pătrundere.


8/38

Mărimi acustice

Propagarea undelor ultraacustice. Presiunea acustică

Regiunea mediului elastic în care au loc vibraţiile punctelormateriale se numeşte câmp acustic. Sediul undelor US estecâmpul ultrasonic. O caracteristică a propagării undelor este

suprafață de undă. Acesta se defineşte ca locul geometric alpunctelor din câmpul acustic care, la un moment dat, oscilează în fază. Prima suprafață de undă se numește front de undă.

Dacă sursa de unde este punctiformă, suprafețele de undă sunt

sferice, având ca centru sursa de oscilaţie. Când suprafețele deundă sunt plane perpendicular pe direcţia de propagare,undele se numesc plane.

http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/EvanescentWaves/Eva

nescentWaves.html


9/38

La o anumită depărtare de o sursă punctiformă, undele US pot fiaproximate ca fiind plane. Acestea sunt undele care se folosesc

cel mai adesea în aplicaţiile practice.Perturbaţia care se propagă – compresiuni şi rarefieri → variaţiea presiunii în timp şi spaţiu.

Presiunea acustică reprezintă mici variații în timp, suprapusepeste presiunea atmosferică medie, iar în cazul propagăriiultrasunetelor în lichide – în jurul valorii presiunii hidrostatice,

Dacă în domeniul audibil presiunea acustică corespunzătoare

celor mai intense sunete abia atinge o fracţiune din presiuneaatmosferică, în cazul US, prin folosirea unor sisteme defocalizare, presiunea acustică poate depăşi chiar de zeci de oripresiunea atmosferică.


10/38

Presiunea acustică variază în timp şi spaţiu, fiind valabilă o

ecuaţie diferenţială identică cu ecuaţia diferenţială a undeiplane:

2

22

2

2

y

u

ut

p

∂

∂

=∂

∂


11/38

Intensitatea undelor acustice

Intensitatea acustică reprezintă fluxul de undă acustică carestrăbate unitatea de suprafaţa perpendiculară pe direcţia depropagare a undelor.

Pentru un fascicul ultrasonic plan cu secţiunea transversală S,cunocând puterea emiţătorului acustic, putem determinavaloarea intensităţii ultrasunetului din relaţia:

=2m

W

S

PI

Sau, dacă se cunoaşte valoarea presiunii acustice, poate fifolosită formula:

u2

pI

2m

ρ=


12/38

Impedanţa acustică

Impedanţa acustică specifică reprezintă raportul dintrepresiunea acustică şi viteza de propagare a undei într-un mediu.

u

pZ =

În general, aceasta este o mărime complexă, deoarece presiuneaacustică nu este în fază cu viteza particulei care oscilează.

În cazul particular al undelor care se propagă într-un mediu nelimitat,fără pierderi de energie, impedanţa acustică devine o mărime reală şipoate fi calculată cu relaţia:

ρ=ρ= EuZ

ρ - densitatea mediului, E – modulul lui Young → impedanţăcaracteristică a mediului.

ryal;

m

Ns;scm

g32


13/38

ATENUAREA UNDELOR ULTRAACUSTICE

-reflexie

-refracţie

- împrăştiere

-difracţie

-interferenţă


14/38

Reflexia şi refracţia undelor ultraacustice plane

i, r, t – incident, reflectat, transmis

p – presiune acustică

ρ - densitate, u – viteză de propagare

Fiecare mediu este caracterizat de un

factor propriu de reflexie acustică:

1122

1122

i

r

uu

uu

p

pR

ρ+ρ

ρ−ρ==


15/38

Analog definim şi factorul de transmisie acustică:

1122

22

i

t

uu

u2

p

pT

ρ+ρ

ρ==

Coeficientul de reflexie acustică:

2

1122

1122

i

r

uu

uu

I

Ir

ρ+ρρ−ρ

==

Coeficientul de transmisie acustică:

( )21122

2121

i

t

uu

uu4

I

I

ρ+ρ

ρρ==τ

r 1−=τDacă mediile în contact au impedanţe egale: 2211 uu ρ=ρ

⇒=τ=⇒ 1;0r NU se produce reflexia undei!


16/38

Interferenţa undelor ultraacustice

Este fenomenul de suprapunere a efectelor produse dedouă unde de aceeași frecvență.

http://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutori

al_files/Web-inter-interferences.htm

Efectul permite determinarea caracteristicilor celor douăsurse ale mediului în care se produce, precum lungimeade undă, localizarea acestora în spațiu etc.

http://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htmhttp://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htmhttp://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htmhttp://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htm


17/38

Difracția undelor ultraacustice

Difracție acustică – fenomenul de ocolire a unui obstacol de cătreunda US.

Conform principiului Huygens-Fresnel, difracția undelor US asigurăpropagarea acestora și în spatele unor obstacole.

https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4

Cu cât dimensiunea obstacolului este mai apropiată de λ a US,fenomenul de difracție este mai accentuat; o mare parte din

energia acustică se difractă contribuind astfel la atenuareaecoului.

https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4


18/38

Difuzia undelor US

Apare atunci când particulele mediului prin care se

propagă fasciculul ultrasonor absorb o parte din energiaultraacustică, pe care apoi o reemit în toate direcțiilesub forma unor unde sferice.

Utilizarea US in diagnosticul medical se bazează pe

recepționarea ecourilor reflectate de către țesuturile întâlnite în cale. Multe interfețe biologice au suprafețeneregulate, care produc reflexii și/sau difuzie, astfel căse vor recepționa mai multe ecouri atunci când unda US

nu cade perpendicular pe suprafață.


19/38

Atenuarea undelor

Este fenomenul prin care o parte din energia undelor se diminuează pe

durata propagării, prin transformare în alte forme de energie (cel mai adesea

– căldură).

În general, undele US suferă o atenuare mai mare în gaze decât în lichide și

mai mare în lichide decât în solide.

În practică se folosește noțiunea de adâncime de pătrundere de 50%, care

corespunde numărului de centimentri parcurși de unda cu o frecvență

determinată, printr-un mediu dat, pentru ca valoarea intensității acustice săscadă la jumătate.


20/38

Nr. Țesut Coeficient deabsorbție

Adâncimea de absorbție 50%(cm)

La 1MHz La 2,25 MHz

1 Plasmă 0,007 100 44,4

2 Sânge 0,02 35 15,53 Țesut adipos 0,2 3,5 1,6

4 Mușchi 0,15 4,7 2,0

5 Craniu 1,5 0,54 0,22

6 Creier 0,17 4,5 2,0


21/38


22/38

CONCLUZIE: Atenuarea energiei acustice

La propagarea undei US într-un mediu elastic are loc o atenuare a acesteia. În cazul undelor longitudinale plane atenuarea provine din:

a) Împrăștiere prin reflexie și difuzie

b) Absorbție în mediul elastic sub formă de energie termică

Legea de atenuare Lambert-Beer): x2

0eII

α−

=

I0 - intensitatea acustică pentru x=0

α- coeficientul de atenuare specific mediului dat (m-1)

x – distanța parcursă de undă


23/38

Producerea US

- sursă acustică care transferă mediului înconjurător energie înmod periodic

Emiţătoare ultrasonice:

- emiţătoare mecanice, la care energia folosităpentru producerea vibraţiilor este energiamecanică;- emiţătoare electroacustice, la care energiafolosită este energia electrică.


24/38

Traductoare electromecanice: - piezoelectrice

- magnetostrictive- electromagnetice.

Diagnostic - US cu frecventa mari (MHz) - emitatoare cucristal piezoelectric.

efectul piezoelectric - apariţia polarizării electrice a unormateriale cristaline atunci când sunt supuse unor solicitărimecanice. Polarizarea îşi schimbă sensul odată cuschimbarea sensului solicitării.

efectul invers: un cristal supus acţiunii unei câmp electricexterior este deformat. Deformările îşi schimbă sensul înmomentul în care sensul câmpului electric este inversat.


25/38

⇒ prin inversarea periodică a câmpului electric, deci prinaplicarea unei tensiuni alternative, cristalul respectiv

vibrează emiţând unde acustice în mediul înconjurător.

Materiale pentru emiţătoare ultrasonore:

- cristale de cuarţ- sarea Rochelle (tartrat dublu de sodiu şi potasiu)

- ceramice - titanat de bariu (BaTiO3);


26/38

Pentru a emite unde US, traductorul cu cristal de cuarț este o placă

astfel tăiate dintr-un monocristal, astfel încât fețele emițătoare de

energie ultrasonică să fie perpendiculare pe una din axele

piezoelectrice ale cristalului (așa numita tăietură X).

Aplicând o tensiune electrică pe fețele opuse, perpendiculare pe axa

X, placa de cuarț se va comprima/dilata succesiv cu frecvența

tensiunii alternative aplicate.

Amplitudinea deformației plăcii depinde de frecvența tensiuniielectrice și devine maximă (rezonanță) când există o anumită relație

între viteza de propagare (u) a undelor US în mediul cristalin și

grosimea cristalului (d). Frecvența de rezonanță este:

( )ρ

== xx0

E

d 2

1

d 2

uf


27/38

( ) ]Hz[d

285000f m/ N106,8E;m/kg1065,2

x0

210

x

33 =⇒⋅=⋅=ρ

Traductoare cu frecvența de rezonanța cât mai mare → plăci de cuarț cugrosimi cât mai mici.

Ex.: pentru a genera unde cu frecvența de 20 MHz, placa trebuie să aibă ogrosime de 0,14mm.

DAR, o astfel de placă se deteriorează prin străpungere dielectrică chiar și în condiții te tensiune aplicată RELATIV REDUSĂ.

Din acest motiv, este necesar să se utilizeze armonicele superioare pe carepoate vibra placa de cuarț. Astfel, cu ajutorul unei plăci de cuarț vibrând pe

cea de-a 19-a armonică, se pot obține US cu frecvența de aprox. 55 MHz.


28/38

Emitatoaredeultrasunete

continue

pulsatorii

Emiţătoarele continue permit investigarea mediilor cu

impedanţe acustice diferite sau în cazul organelor aflate înmişcare (efect Doppler)

Aparatura de emisie continuă - două cristale: unul cu rol de

emiţător şi celălalt − de receptor al ecourilor.


29/38

Emisia pulsatorie - cristalul piezoelectric este alimentat cuimpulsuri electrice de durată foarte scurtă (circa 1−2µ s),repetitive, cu frecvența de repetiție de circa 1 kHz.

US de mare intensitate → tratamente medicale.

concentratoare de energie ultraacustică → suprafață de

unde ultrasonor cu intensitate mare şi cu o rază de acţiuneredusă la mărimea ţesutului lezat.


30/38

Tipuri de sonde utilizate în ultrasonografia medicală

Sonda este un instrument cilindric în formă de tijă sau detub subţire şi lung, introdus în interiorul corpului în scopdiagnostic sau terapeutic.

Sondele sunt puse pe piele sau introduse pe o cale

naturală sau patologică (fistula) sau chiar prin piele. Ele servescla explorarea traiectului unui canal patologic, la prelevarea saula evacuarea unui produs (puroi, salivă, suc gastric, urină), laadministrarea unui medicament, a oxigenului sau a alimentelor(hrănire artificială), la dilatarea unui canal îngustat (uretra,ureter), la îndepărtarea unui calcul sau la înregistrarea sau laproducera unei actitivităţi electrice în inimă (antrenareextrasistolică).


31/38

O sondă este dotată cu un emiţător de ultrasunete (undeacustice - nepercepute de urechea umană) care traverseazăorganele, dar sunt reflectate în parte atunci când întâlnesc o

modificare a densităţii ţesuturilor.

Există mai multe tipuri de sonde:- Sondele utilizate pe cale externă sunt plasate pe corpul

pacientului, deasupra regiunii de explorat.- Sondele endocavitare (utilizate pe cale internă) suntintroduse (ex. în esofag (ecografia endoesofagiană sautransesofagiană pentru explorarea inimii).- Sondele miniaturizate, introduse prin cateterism în vase,permit ecografia intravasculară.


32/38

Adaptarea traductoarelor la mediu

Transferul de energie ultraacustică dintr-un mediu,caracterizat de coeficientul de transmisie acustică τ, în altuldepinde de impedanţele acustice ale mediilor în contact.

( )21122

2121

i

t

uu

uu4

I

I

ρ+ρρρ==τ

Transfer optim de energie → valori apropiate ale impedanțelor


33/38

cristale piezoelectrice ca emiţător de unde ultrasonore în aer → diferenţa

mare de impedanţa intre cuarţ şi aer → nu are loc un transfer eficace a

energiei ultrasonore către mediul de iradiat

Soluția: medii de cuplaj - adaptoare de impedanţă - uleiuri, glicerină sau

combinaţii de glicerină cu apă. Transferul maxim de energie

ultraacustică are loc dacă grosimea adaptorului de impedanţă este

egală cu un număr întreg de jumătăţi de lungimi de undă (λ/2).


34/38

Concentratoare de energie ultrasonică

În diagnosticul sau în tratamentul ultrasonor este necesară concentrarea

unei anumite intensităţi acustice pe materialul de studiat. În multe situaţii

este necesar să se obţină concentraţii mari de energie într-un volum redus.

Analogie unde US de ν ridicate ↔ unda luminoasă

→ Reflectori concavi şi lentile acustice – permit ca energia acustică să fie

concentrată într-un volum mic, prin transformarea undei plane într-o undă

sferică convergentă.


35/38

Probleme generale privind aplicatiile clinice ale US

Energia ultrasonica

diagnostic

terapie

Diagnostic → ν = 2 - 2,5 MHz (λ = 0,8 - 1 mm)

I = 1 - 10 mW/cm2

Terapie → ν = 1 - 2 MHz

I = 0,5 - 4 W/cm2


36/38


37/38

Efecte mecanice si chimice

Efectele mecanice şi chimice provocate de acţiunea ultrasunetelor se

datorează fenomenului de cavitaţie - fenomenul de rupere şi refacere

a unui lichid sub acţiunea unor tensiuni suficient de mari sau a unor

variaţii rapide şi bruşte de presiune.

Sub acţiunea schimbărilor de presiune, distanţa medie dintre particulele

lichidului variază până la atingerea valorii necesare ruperii lichidului.

Ruperea se produce în momentul în care presiunea acustică anulează

presiunea corespunzătoare forţelor de coeziune dintre particulelelichidului. Ruperea este urmata de aparitia unor cavitati microscopice.


38/38

Un exemplu de aplicație: ecografia Doppler

Efectul Doppler: “Atunci când sursa sonoră se apropie de un observator,frecvenţa sunetului recepţionat creşte şi atunci când se depărtează,frecvenţa recepţionată scade”

- sursa de US - fixă

- observatorul - mobil, constituit din două obiecte şi anume: o structura

organică mobilă situată pe axa fasciculului de unde US şi un cristal receptor,care va avea aceeaşi natură şi aceleaşi dimensiuni cu sursa emiţătoare-mişcările ţesutului perturbă frecvenţa undelor recepţionate de cristalulreceptor; modificarea poate fi înregistrată grafic

(vezi și William R. Hendee, E. Russell Ritenour, Medical Imagistics, ed. a 4-a,ISBN 0-471-38226-4).

http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.html
http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.html

imagistica us

Documents