36
Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls

KAD 2008.02.04

Page 2: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

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

Page 3: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

3

Schall: mechanische Welle (Modell)

räumliche und zeitliche Periodizität

Pfeife

Feder

Funktion

Überdruck

Unterdruck

Expansion

Kompression

Page 4: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

4

Longitudinalwelle(in der Flüssigkeit und in Gasenur diese)

Transversalwelle

x

T

tpxtp 2sin),( max

Amplitude Phase

Druckveränderung, Schalldruck

pgesamt = phydrostat + p

c T = c = f

DC + ACDruck

hydrostatischer Druck

Page 5: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

5

Zeitfunktion Spektrum

Sinuston

Grundton Obertönemusikalischer Ton

weisses Geräusch

Dröhnen

dis

kret

e S

pe

ktre

nko

ntin

uie

r-lic

hes

S

pek

trum

Ba

nde

n-sp

ekt

rum

Fourier-Analyse

Fourier-Synthese

Page 6: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

6

Intensität und Frequenzbereiche der mechanischen Welle

Page 7: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

7

p

VV

/

1

c

Kompressibilität,relative Volumenverminderung geteilt durch Druck

Fortpflanzungsgeschwindigkeit

akustische Impedanz,Wellenwiderstand (Definition)

akustische Impedanz(nützliche Form)

Die Rolle des elastischen Mediums

cZ

max

max

v

p

v

pZ

I

UZ eelektrisch

Page 8: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

8

Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in verschiedenen Medien (Organen, Geweben)

Page 9: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

9

Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls und der Wellenwiderstand in verschiedenen Medien

Page 10: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

10

2max2

1p

ZJ

2eff

1p

ZJ

2eff

elel

1U

ZP

Intensität des Ultraschalls

Intensität = Energie-Strom Stärke

elektrische Analogie

effektiver Wert:peff

2 = pmax2/2

Page 11: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

11

I0

I

x

I= I e0

- xm

I /e0

I /20

1/mD

xeJJ m 0

Energieverlust während der Fortpflanzung (Absorption)

dBlg10 0

J

JDämpfung:

dBlg10 ex m

m ist in dem diagnostischen Frequenzbereich proportional der Frequenz

spezifische Dämpfung:

für Weichteilgewebe:~1dB/(cm.MHz)

J

J0

J0/2

J0/e

xf

Page 12: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

12

Page 13: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

13

Erscheinungen an der Grenzflächen

Reflexion und Transmission Snellius-Descartes

schräger Einfallsenkrechter Einfall

Je

Jr

Jt

Jeinfallende= Jt +Jreflektierte

Je

JrJt

Lot

c1>c2

2

1

sin

sin

c

c

Page 14: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

14

2

21

21

eeinfallend

tereflektier

ZZ

ZZ

J

JR

Reflexion (für senkrechten Einfall)

Reflexionskoeffizient:

HautQuelleKopplungsm ZZZ

“totale” Reflexion:

1,21 RZZ

optimale Kopplung: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

Page 15: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

15

Schräger Einfall bzw. schräge Grenzfläche

Page 16: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

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

Page 17: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

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

Page 18: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

18

P

PP KV

VV

1ngRückkopplu,

Elektrische Signalquelle: Sinusoszillator

Mitkopplung (positiv rückgekoppelter Verstärker)

KVP=1, Verstärkung: „unendlich“ – Sinusoszillatorkein Eingangssignal, Ausgangssignal: Sinuswelle

n(dB)

fu foÜbertragungsband

nmax

nmax-3dicke schwarze Kurve: Übertragungscharakteristik ohne Rückkopplung

roter Pfeil: die Frequenz des Sinusoszillators

f(log)

Page 19: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

19

Aufbau des Ultraschall-Wandlers

Richtung desausgesendetenUltraschalles

Page 20: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

20

Charakteristiken der Ultraschall-Impulse

Transducer/Umwandler: Sender und Empfänger dieselbe Einheitzeitliche Trennung – anstatt der kontinuierlichen Welle nur

Impulse

ImpulsdauerUltraschallfrequenz

Wiederholungszeit der Impulse

Fortpflanzungs-geschwindigkeit von US

Impulswiederholungs-frequenz

Page 21: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

21

(Fresnel-Bereich) (Fraunhofer-Bereich)

Bündelform des Ultraschalls(vereinfachtes Bild)

Page 22: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

22

perspektives Bild des Ultraschall-Bündels

Intensitätsverteilung in axialer Richtung

J

x

Page 23: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

23

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

Page 24: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

24

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

Page 25: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

25

Auflösungsgrenze: die kleinste auflösbare EntfernungAuflösungsvermögen: 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 15Wellenlänge (in Muskulatur) (mm): 0.78 0.1

Eindringtiefe (einfach) (cm): 12 1.6laterale Auflösungsgrenze (mm): 3.0 0.4

axiale Auflösungsgrenze (mm): 0.8 0.15

Übliche Werte

Page 26: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

26

Frequenzabhängigkeit der Ultraschallreichweite

Page 27: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

27

Axiale Auflösungsgrenze

c

d

ccc 21 Impulslänge

2

cdax Auflösungsgrenze

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

: Impulsdauer

fT

1~

Page 28: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

28

Laterale Auflösungsgrenze

#~lat fd

Rf# = f-Zahl: Verhältnis der Brennweite und des Durchmessers von Wandler

Page 29: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

29

Fokussierung

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

Page 30: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

30

Huygens Prinzip

Page 31: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

31

Elektronische Fokussierung beim Senden

unfokussiertes Bündel

fokussiertes Bündel

Verzögerungs-einheiten

Wandler-elementen

Page 32: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

32

Elektronische Fokussierung beim Empfängen

Wandler-elementen

Verzögerungs-einheiten

Page 33: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

33

Elektronische Abtastprinzipien

Page 34: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

34

Abtastung und Fokussierung

zeitverzögerte Anregung und Wellenfront für Winkeleinschallung (angle beam scanning)

zeitverzögerte Anregung und Wellenfront für Fokussierung

Page 35: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

35

Page 36: Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls KAD 2008.02.04

36