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Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04.

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Präsentation zum Thema: "Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04."—  Präsentation transkript:

1 Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD

2 2 Frage in einer Kneipe: Wieviel wein befindet sich in dem Fass? Ist es bis zum rand voll, halb gefüllt oder fast leer? Medizinische Frage: Wieviel Luft befindet sich in der Lunge? Auenbrugger (Mediziner, Sohn eines Gastwirtes, Graz, 1761): Perkussion: Untersuchung von Luftgehalt der hohlen Organe

3 3 Schall: mechanische Welle (Modell) räumliche und zeitliche Periodizität Pfeife Feder Funktion Überdruck Unterdruck Expansion Kompression

4 4 Longitudinalwelle (in der Flüssigkeit und in Gase nur diese) Transversalwelle AmplitudePhase Druckveränderung, Schalldruck p gesamt = p hydrostat + p c T = c = f DC + ACDruck hydrostatischer Druck

5 5 ZeitfunktionSpektrum Sinuston Grundton Obertöne musikalischer Ton weisses Geräusch Dröhnen diskrete Spektren kontinuier- liches Spektrum Banden- spektrum Fourier-Analyse Fourier-Synthese

6 6 Intensität und Frequenzbereiche der mechanischen Welle

7 7 Kompressibilität, relative Volumenverminderung geteilt durch Druck Fortpflanzungsgeschwindigkeit akustische Impedanz, Wellenwiderstand (Definition) akustische Impedanz (nützliche Form) Die Rolle des elastischen Mediums

8 8 Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in verschiedenen Medien (Organen, Geweben)

9 9 Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls und der Wellenwiderstand in verschiedenen Medien

10 10 Intensität des Ultraschalls Intensität = Energie-Strom Stärke elektrische Analogie effektiver Wert: p eff 2 = p max 2 /2

11 11 Energieverlust während der Fortpflanzung (Absorption) Dämpfung: ist in dem diagnostischen Frequenzbereich proportional der Frequenz spezifische Dämpfung: für Weichteilgewebe: ~1dB/(cm. MHz) J J 0 J 0 /2 J 0 /e

12 12

13 13 Erscheinungen an der Grenzflächen Reflexion und TransmissionSnellius-Descartes schräger Einfallsenkrechter Einfall JeJe JrJr JtJt J einfallende = J t +J reflektierte JeJe JrJr JtJt Lot c 1 >c 2

14 14 Reflexion (für senkrechten Einfall) Reflexionskoeffizient: totale Reflexion: optimale Kopplung: GrenzflächeR Muskel/Blut Fett/Leber0.006 Fett/Muskel0.01 Knochen/Muskel0.41 Knochen/Fett0.48 Weichteilgewebe/Luft0.99

15 15 Schräger Einfall bzw. schräge Grenzfläche

16 16 TGC: time gain compensation DGC: depth gain compensation (Tiefenausgleich) je später/tiefer kommt die Reflexion zurück, desto schwacher ist die Reflektierte Intensität reflexionszeitabhängige/ bildtiefenabhängige elektronische Verstärkung Absorption und reflexion

17 17 Erzeugung des Ultraschalls. Piezoelektrischer Effekt elektrische Signalquelle (Sinusoszillator)+ Wandler (Piezoelektrischer Kristall) (a) Die Schwerpunkte der negativen und positiven Ladungen zusammenfallen. (b) und (c) Wegen des Druckes die Schwerpunkte wird getrennt, entsteht eine Spannung. Erzeugung von US: reziproker ~ Detektierung von US: direkter ~ b c a zu Hause: Gasanzünder Hochtöner

18 18 Elektrische Signalquelle: Sinusoszillator Mitkopplung (positiv rückgekoppelter Verstärker) KV P =1, Verstärkung: unendlich – Sinusoszillator kein Eingangssignal, Ausgangssignal: Sinuswelle n(dB) fufu fofo Übertragungsband n max n max -3 dicke schwarze Kurve: Übertragungscharakteristik ohne Rückkopplung roter Pfeil: die Frequenz des Sinusoszillators f (log)

19 19 Aufbau des Ultraschall-Wandlers Richtung des ausgesendeten Ultraschalles

20 20 Charakteristiken der Ultraschall-Impulse Transducer/Umwandler: Sender und Empfänger dieselbe Einheit zeitliche Trennung – anstatt der kontinuierlichen Welle nur Impulse Impulsdauer Ultraschallfrequenz Wiederholungszeit der Impulse Fortpflanzungs- geschwindigkeit von US Impulswiederholungs- frequenz

21 21 (Fresnel-Bereich) (Fraunhofer-Bereich) Bündelform des Ultraschalls (vereinfachtes Bild)

22 22 perspektives Bild des Ultraschall-Bündels Intensitätsverteilung in axialer Richtung J x

23 23 Konturlinien gleicher Druckamplituden für einen ebenen, runden Wandler bei kontinuierlicher Anregung

24 24 Konturlinien gleicher Druckamplituden für einen ebenen, runden Wandler bei pulsförmiger Anregung

25 25 Auflösungsgrenze: die kleinste auflösbare Entfernung Auflösungsvermögen: Kehrwert der Auflösungsgrenze Die axiale Auflösungsgrenze (in Richtung der Strahlachse) hängt von der Impulslänge. Die Impulslänge ist umgekehrt proportional zur Frequenz. Die laterale Auflösungsgrenze (in Richtung senkrecht zur Strahlachse) hängt von dem Durchmesser des Ultraschallbündels. Frequenz (MHz): 2 15 Wellenlänge (in Muskulatur) (mm): Eindringtiefe (einfach) (cm): laterale Auflösungsgrenze (mm): axiale Auflösungsgrenze (mm): Übliche Werte

26 26 Frequenzabhängigkeit der Ultraschallreichweite

27 27 Axiale Auflösungsgrenze c d Impulslänge Auflösungsgrenze Die Auflösungsgrenze ist gleich der Hälfte der Impulslänge, weil es keine Überlappung der Echosignale (roter Pfeil und grüner Pfeil) gibt. Impulsdauer

28 28 Laterale Auflösungsgrenze f# = f-Zahl: Verhältnis der Brennweite und des Durchmessers von Wandler

29 29 Fokussierung Bei der Fokussierung vergrössert sich die Divergenz des Bündels im Fernfeld und die Schärfentiefe verschlechtet.

30 30 Huygens Prinzip

31 31 Elektronische Fokussierung beim Senden unfokussiertes Bündel fokussiertes Bündel Verzögerungs- einheiten Wandler- elementen

32 32 Elektronische Fokussierung beim Empfängen Wandler- elementen Verzögerungs- einheiten

33 33 Elektronische Abtastprinzipien

34 34 Abtastung und Fokussierung zeitverzögerte Anregung und Wellenfront für Winkeleinschallung (angle beam scanning) zeitverzögerte Anregung und Wellenfront für Fokussierung

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