Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls

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

1 Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls
KAD

2 Frage in einer Kneipe: Wieviel wein befindet sich in dem Fass
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 Schall: mechanische Welle (Modell)
Pfeife Kompression räumliche und zeitliche Periodizität Feder Expansion Überdruck Funktion Unterdruck

4 Longitudinalwelle (in der Flüssigkeit und in Gase nur diese)
Transversalwelle hydrostatischer Druck Druckveränderung, Schalldruck pgesamt = phydrostat + Dp Druck DC AC Amplitude Phase c  T = l, c = f  l

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

6 Intensität und Frequenzbereiche der mechanischen Welle

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

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

9 Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls und der Wellenwiderstand in verschiedenen Medien

10 Intensität des Ultraschalls
Intensität = Energie-Strom Stärke effektiver Wert: Dpeff2 = Dpmax2/2 elektrische Analogie

11 Energieverlust während der Fortpflanzung (Absorption)
J J0 J0/2 J0/e Dämpfung: m ist in dem diagnostischen Frequenzbereich proportional der Frequenz spezifische Dämpfung: für Weichteilgewebe: ~1dB/(cm.MHz)

12

13 Erscheinungen an der Grenzflächen
senkrechter Einfall schräger Einfall c1>c2 Je Je Jt Lot Jr Jt Jr Jeinfallende= Jt +Jreflektierte Reflexion und Transmission Snellius-Descartes

14 Reflexion (für senkrechten Einfall)
Reflexionskoeffizient: “totale” Reflexion: Grenzfläche R Muskel/Blut 0.0009 Fett/Leber 0.006 Fett/Muskel 0.01 Knochen/Muskel 0.41 Knochen/Fett 0.48 Weichteilgewebe/Luft 0.99 optimale Kopplung:

15 Schräger Einfall bzw. schräge Grenzfläche

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

17 Erzeugung von US: reziproker ~ Detektierung von US: direkter ~
Erzeugung des Ultraschalls. Piezoelektrischer Effekt b c a 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. zu Hause: Gasanzünder Hochtöner

18 Elektrische Signalquelle: Sinusoszillator
Mitkopplung (positiv rückgekoppelter Verstärker) KVP=1, Verstärkung: „unendlich“ – Sinusoszillator kein Eingangssignal, Ausgangssignal: Sinuswelle roter Pfeil: die Frequenz des Sinusoszillators n(dB) nmax dicke schwarze Kurve: Übertragungscharakteristik ohne Rückkopplung nmax-3 f (log) fu fo Übertragungsband

19 Aufbau des Ultraschall-Wandlers
Richtung des ausgesendeten Ultraschalles

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

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

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

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

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

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. Übliche Werte Frequenz (MHz): Wellenlänge (in Muskulatur) (mm): Eindringtiefe (einfach) (cm): laterale Auflösungsgrenze (mm): axiale Auflösungsgrenze (mm):

26 Frequenzabhängigkeit der Ultraschallreichweite

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

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

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

30 Huygens Prinzip

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

32 Elektronische Fokussierung beim Empfängen
Verzögerungs-einheiten Wandler-elementen

33 Elektronische Abtastprinzipien

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

35

36