ULTRASESİN BİYOFİZİKSEL ÖZELLİKLERİ VE ULTRASESLE GÖRÜNTÜLEME

1. ULTRASESİN BİYOFİZİKSELÖZELLİKLERİVEULTRASESLE GÖRÜNTÜLEME Prof. Dr. Mehmet Ali KÖRPINAR

2. ARİTMETİK BİLMECESİ: 1) 16 – 7 = 0 ??? 2) 72 x 70 = 630 ??? 3) 72 x 70 = 1540 ??? 4) 75 x 75 = ???

3. ULTRASES NEDİR? • Ses kulağımızın duyabileceği frekans aralığına göre tanımlanır. 20 Hz den küçük frekanslı ses dalgalarına İNFRASES, 20.000 Hz den büyük frekanslı ses dalgalarına ise ULTRASES denir. • Boyuna dalga özelliğindeki ses dalgalarının yayılabilmesi için muhakkak yoğun bir ortam gerekmektedir. Çünkü bir kaynak tarafından üretilen basınç değişiminin iletilebilmesi için yoğun bir ortam gerekir yani basınç değişimleri boşlukta iletilemez.

4. Yarasa: 2-110 kHz Köpek: 60 Hz-45 kHz Yunus: 0,2-150 kHz Balina: 10-75 kHz Fare: 200 Hz - 80 kHz Horoz: 125 Hz-2 kHz Kedi: 100 Hz-60 kHz

6. Ses dalgalarının yayılabilirliği ortamların sıkışabilirliği ile ters orantılıdır. Bu yüzden ses hızı, çok büyük sıkışabilirliği olan gazlarda en yavaştır. Sıvılarda, gazlara göre bir yoğunluk artışı ve bununla orantılı olarak sıkışabilirlikte bir azalma söz konusudur. Bu nedenle sıvılarda ve kemik hariç birçok dokuda sesin hızı yaklaşık olarak birbirinin aynısı olup, gazlara göre oldukça yüksektir (Havada: 331 m∕sn, Civada: 1450 m∕sn, Yağda: 1450 m∕sn, Suda (500 C ) : 1540 m∕sn, Beyinde: 1541 m∕sn, Kemikte: 4048 m∕sn). • Katı ve sıvılarda ses hızı:V = K / ρ K: Katılarda Young Modülü, sıvılarda Bulk Modülüdür. ρ: Ortamın yoğunluğudur. • Gazlarda ses hızı: cp . P V = cv. ρ P: gazın basıncı, ρ: gazın yoğunluğu, cp: sabit basınçtaki özgül ısı ve cv: sabit hacimdeki özgül ısıdır.

7. ULTRASES OLUŞUMU VE PİEZOELEKTRİK ETKİ • Ultrases ilk olarak 1894 yılında MaryCuries ve eşi Pierre tarafından, Piezoelektrik (basınç elektriklenmesi) özelliği olan kristaller (Quartz, Tourmaline, Lityum Sülfat, Kadmiyum Sülfat ve Çinko Sülfat) yardımı ile üretildi. • Ayrıca son yıllarda yapay seramik kristaller (Baryum Titanat, Kurşun Titanat) de kullanılmaktadır.

8. Piezoelektrik kristale uygulanan basınç ile oluşan kutuplaşma + + + + + + + + + a) Normal b) Kısalmış c) Uzamış

9. Piezoelektrik kuars kristalinde, basınç uygulaması sonucu oluşan molekülsel kutuplaşma

10. Sinüsoidal elektrik akımının veya manyetik alanın, kristaller tarafından basınç dalgalarına çevrilmesi ile ultrases dalgaları oluşur. Bu işlemi yapan aygıtlara da TRANSDÜSER denir. Yani transdüserler bir formdaki enerjiyi bir başka forma çevirebilen aygıtlardır. + + + + - - - - -

11. Ultrases üreten transduserlerin metaryellerinde aşağıdaki özellikler olmalıdır 1- Titreşim modları için piezoelektrik karakteristiklere sahip olmalı, 2- Homojen bir yapıya sahip olmalı, 3- Arzu edilen şekil ve büyüklükte çalışılmasına olanak vermelidir, 4- Sıcaklık nedeniyle özelliklerinde değişim çok az olmalı, 5- İç direnci mümkün olduğu kadar düşük olmalı, 6- Fiziksel ve Kimyasal özelliklerini uzun süre muhafaza etmeli,

12. Çeşitli tiplerde UltrasonikTransduserler vardır. Bunlar: • PİEZOELEKTRİK TRANSDUSERLER (10 kHz ile 20 GHz arası) • MAGNETOSTRİKTİVE TRANSDUSERLER ( 100 kHz ) • MEKANİKSEL TRANSDUSERLER ( 50 kHz de sirenler gibi) • ELEKTROMAGNETİK TRANSDUSERLER ( 50 kHz için ) • ELEKTROSTATİK TRANSDUSERLER ( 100 MHz üstünde )

13. Metabolik transduserler

14. TRANSDUSERLERDE REZONANS • Kristalin içinde, geriye yansıyan enerjinin, yeni titreşimlerle oluşan girişimi sonucu transduser içinde STATİK BASINÇ dalgaları oluşturur. • Bu bir rezonans olayıdır. Eğer kristal iki ucu kapalı bir boru gibi düşünülürse oluşacak rezonans için kristalin kalınlığı (l), yarım dalga boyunun tek sayılarla ifade edilen tam katlarına eşit olmalıdır. l = (2n-1) . λ / 2 ( n= 1,2,3...) olmalıdır. • Bu ifadeye göre trandüserin temel rezonans frekansı (f), n= 1 ve (v) ultrasesin ortamdaki hızı olmak koşuluyla; f = v / 2 l dir.

15. Ultrasesin değişik ortamlardan yansımasını sağlayan yani ortamın yansıtıcı özelliğine AKUSTİK EMPEDANS denir. Ayrıca akustik empedans (Z) ortamların akustik momentidir şeklinde de tanımlanabilir. Z = v . d v: ortamdaki sesin hızı, d: ortamın yoğunluğu,

16. Ultrases kullanımı sırasında görüldüğü gibi oluşacak yansıma, yayılma, kırınma için ortamın akustik empedanslarını bilmek yeterlidir.

17. Yansıma düzlemine gelen ( Ii ), yansıyan ( Ir ) ve kırılmaya uğrayan ( It ) ses dalgalarıdır. • Eğer iki ortamın akustik empedansları eşit ise yansıma olmayacaktır. Bu durumu geçekleştirmek için hedef dokuların ultrasesle ışınlaması sırasında deri ile prop arasına, akustik empedansı derinin akustik empedansına eşdeğer olan bir krem veya özel eriyikler sürülmektedir. • Böylece deri ile prop arasında kalan eriyikler, ultrasesin tam yansımasına neden olan hava kabarcıklarını ortadan kaldırmış olacaklardır. Probun (transduserin) diğer yüzünün hava ile temasta olması, transdüser yüzeyinde hemen hemen bir tam yansıma oluşmasını sağlar.

18. UTRASES PROBU

19. Ultrases ışımasının, yayılma doğrultusuna dik olacak şekilde, birim alandan geçen miktarına ULTRASESİN ŞİDDETİ denir. Bu şiddet; birimi: watt/m2 A: ses dalgalarının genliği, P: basınç genliği, v: sesin hızı, d: ortamın yoğunluğu, f: frekans

20. Ultrases şiddetinin uzaklıkla değişimi • r1 ve r2 yarıçaplı iki küresel ses dalgasının şiddetleri I1ve I2 ve alanları A1 ve A2 ise her dalganın gücü: P1 = A1. I1 = 4 ∏ r1². I1 ve P2 = A2 . I2 = 4 ∏ r2². I2dir. • Aynı kaynaklı iki küresel dalganın r1 ve r2yarıçapları arasındaki enerji kaybı önemsiz olduğu için P1 ≈ P2alınabilir ve I1 r2² = elde edilmiş olur. I2 r1²

21. Ultrases dalgasının şiddetinin değişim bölgeleri

22. a) Yakın bölge(FRESNEL BÖLGESİ): Ultrases ışın şiddeti bu bölgede uniform bir dağılım gösterir. Bu bölgenin uzunluğu, yani son maksimum ışın şiddetinin bulunduğu son nokta: formüiü ile belirlenir. Burada r: Transduserin çapı, λ = Ultrases ışınının dalga boyudur. b) Uzak Bölge(FRAUNHOFER BÖLGESİ): Frensel bölgesinin ötesinde olan bu bölgede ışınlar yatay dağılıma tabidir. Bu bölge dışında Ultrases ışınlar ıraksımaya ve saçılmaya başlar. Oluşan ıraksama: θ = dağılma açısıdır. formülü ile açıklanmaktadır. Sin θ = 0,61 λ r

23. Ultrasesin soğurulması • Doku üzerine gönderilen ultrases ışınının belli bir kısmı ortamın viskozitesinin yenilmesi sırasında soğurularak harcanır. Soğurulan ultrases miktarı, dokunun derinliği (x) ve ışının frekansı ile doğru orantılıdır. Ultrases şiddet değişimi exponansiyeldir. Oluşan değişim förmülü: I2 = I1. e – x.α α: cm’deki soğurma katsayısı, x: derinlik’dir. • Soğurma katsayısı için: α = ( 0,1151 / v ) . I verilmektedir . Birimi de : (dB/sn)

24. Girginlik ve yarılanma kalınlığı • Şiddet değişimi sırasında, α.x = 1 yapan derinliğe ortamın GİRGİNLİĞİ denir. Bu sırada Ultrasesin şiddeti, ilk şiddetinin e = 2,71’de birine düşmüş demektir. • Ayrıca Nükleer Tıp ve Radyolojide kullanılan, ışının soğurulmasını tanımlayan ve gelen ışın şiddetini yarıya indiren soğurucu kalınlığına YARILANMA KALINLIĞIdenir

25. Çeşitli dokularda ve kanda YARILANMA ve GİRGİNLİK

26. ULTRASESİN ETKİLERİ 1) Isı etkisi: • Ultrasesle ışınlanmış bir dokuda oluşan sıcaklık artımı; a) Dokunun soğurma katsayısına, b) Dokuya giren ultrases enerji miktarına (kullanılan ışının devamlı veya aralıklı olmasına, ışın şiddetinin dağılımına), c) Ultrases dalgalarının frekansına, d) Hedef dokunun önünde ve arkasında bulunan kuvvetli yansıtıcı dokuların varlığına bağlıdır. • Hedef doku içinde yayılan Ultrases dalgasının taşıdığı enerji, dokuda sıcaklık artımına neden olur. Birim hacımdaki dokuda ısı oluşum oranı (Q . V) : Q . V = 2 . α . I burada; α: soğurma katsayısı, I: ultrases şiddetidir.

27. 2) Mekaniksel ve kavitasyon etkisi: • Ultrasesin uygun koşullar altında oluşturacağı mekaniksel kuvvet, ultrases titreşimi nedeniyle makro moleküllerde ve membran yapılarında yırtılmalar ve kopmalar oluşturmaktadır. • Ancak Ultrases dalgalarının ürettiği mekaniksel kuvvetlerin oluşturduğu en büyük hasar, içinde gaz veya buhar olan küçük kabarcıkların (KAVİTASYON) birleşmesi sonucu ortaya çıkan şok dalgaları ve kesikli dalgalardır.

28. İçinde gaz veya buhar olan küçük kabarcıklar (KAVİTASYON)

29. 3) Biyolojik etkisi: Yeteri kadar enerji yüklü ultrases ışını herhangi bir bir biyolojik yapıya yöneltilirse ya ısınma ya da kavitasyonla haraplanma ve ya her iki etki birlikte oluşabilir. MHz seviyesinde bir ultrases dalgasıyla ışınlanmış; a) İzole edilmiş makromoleküllerde, b) Enzimlerde, c) Membranlar ve hücre içi organellerde yaşama süresi, morfolojik değişimler, biyokimyasal, hareketsel ve genetik değişimler gözlenmiştir.

30. ULTRASESİN KULLANIMI 1- Endüstride kullanımı (20-60 kHz): a) Havada yayılabilirliği nedeniyle: Hırsıza karşı alarm yapımında, kemirici hayvanların uzaklaştırılmasında, b) Sıvıda yayılabilirliği nedeniyle: Kavitasyonsuz olarak derinlik ölçümlerinde, sonar ve radar olarak hedef tayinlerinde, c) Katılarda yayılabilirliği nedeniyle: Metal ve plastik kaynak yapımında, üretimde kalite kontrolünde,

31. 2- Medikal alanda kullanımı (103-105 KHz) • a) Diagnostik (tanısal) olarak: Ultrases diğer tanı sistemlerine göre yumuşak dokuları da görüntüleyebilmesi ve iyonize edici etkisinin olmayışı gibi özellikleri nedeniyle son 20 yılda çok geliştirildi. Bilgisayar teknolojisinin katkısı ile gelişen değişik modlar yardımıyla görüntüleme aygıtı olarak kullanmaktadır. • b) Terapötik (tedavisel) olarak:Fizyoterapi uygulamalarında, cerrahide, hipertermi etkisi ile kanserli hücrelerin yok edilmesinde, kemiklerin kaynamasında, dişçilikte oyuk açımında, gözde katarakt tedavisinde, böbrek taşlarının parçalanmasında, kan akımının ölçülmesinde v.s. kullanılmaktadır.

32. ULTRASESİN HİPERTERMİ ETKİSİ

33. HIFU (Highintensityfocusedultrasound) sisteminin ana parametreleri, • Tedavi için hedef dokuda ideal odaklanma boyutları: 1,1 mm X 5,6 mm • Lokal bölgede Ultrases şiddet değişimi: 5.000 W/cm2 ile 25.000 W/cm2 • Tedavi frekans aralığı: 0.8 MHz ile 2.4 MHz arasında, • Hedef organda hareketle oluşan yoğunlaşma hatası: ± 1 mm dir. • Sistemin gürültü düzeyi: ≤ 65 dB (A) dır. • Parametrelerin kontrolu Real - time görüntüleme ile yapılıyor, • 1 saniyede hedef dokudaki sıcaklık artımı 65-1000 C oluyor

34. HIFU UYGULAMASININ ŞEMATİK GÖSTERİMİ

35. JinekolojiKongresi’nde en büyükilgiyi, sesdalgasıylaameliyatsızmiyomtedavisigördü (07.04.2011)

36. Sol görüntüdeböbrektebulunanbüyük tümorün, 12 gün HIFU uygulamasonrasıdurumusağda

37. ÖRNEK PROBLEMLER 1- Duyulabilen frekans aralığındaki (20-20.000 Hz) ses dalgalarının dalga boylarını bulunuz. (Havada ses hızı: v= 343 m/sn) Kullanılacak formül: v = λ . f 2- Bir jet uçağının ses şiddeti 102W/m2dir (30 m uzaklıkta iken). Bu uçaktan 5000 m uzaklıktaki ses şiddeti ve şiddet seviyesi (dB) nedir? Kullanılacak formüller: I2 = I1 . (r12 / r22 ) ve β = 10 . log I / I0 3- 2 m uzaklıktaki bir motorsikletin şiddet seviyesi 90 dBdir. Ne kadar uzakta olursa şiddet seviyesi 60 dB olur? ( 90 dB= 10-3 W/m2, 60 dB= 10-6 W/m2 )

38. 4-Bir yarasanın algıladığı ULTRASES dalgasının frekansı 105 Hz dir. Bu dalganın havadaki dalga boyunu bulunuz. (Havadaki ses hızı: v= 343 m/sn) 5- Şiddet seviyesi 80 dB olan bir ses dalgasının, alanı 0,6.10-4 m2 olan bir kulak zarına geldiğinde 3 dakika içinde ne kadarlık bir enerji absorbe edilebilir? (80 dB= 10-4 W/m2) Kullanılacak formül: E = I . A . t 6- Ultrases dalgası Tıp’ta ve teknolojide pekçok alanda kullanılmaktadır. Bunun avantajlarından bir tanesi de, insan kulağı için hiç bir zararı olmadan kullanılmasıdır. Şiddeti I=105 W/m2 olan bir ultrases dalgasının; a) Şiddet seviyesini, b) 1 cm2 lik alana 1 dakikada ne kadarlık bir enerji vereceğeini, c) Havada ve suda basınç amplitüdü(genliği)’nü bulunuz. (suda ses hızı: v= 1498 m/sn, suyun yoğ: d= 996 kg/m3) Kullanılacak formül: Basınç amplütüdü için: A = I . 2 . d . v

39. ULTRASESLE GÖRÜNTÜLENME

40. TRANSDUSER: Tranduser Ultrases dalgalarını üretip hem gönderici hem de alıcı olarak hareket eder. İçinde transduserinde bulunduğu proplar uygulama amacına uygun olarak çeşitli şekil ve büyüklükte yapılmışlardır (Lineer, Fazlı ve Konveks proplar, intraoperatif proplar, intrakorporal proplar, transözafegal proplar, puncturing proplar ). Transduserler iki amaçla kullanılır. 1)YAYINLAYICI (sender):Transduser tarafından yayınlanan Ultrases dalgalarının frekans ve süresini kontrol eder. 2) ALICI (Receiver):Transduser içinde tekrar elektrik impulslarına dönüştürülen geri dönüş ekoları alıcı tarafından toplanır.

41. SİNYAL AMPLİFİKATÖRÜ:Alıcı ile katot ışını tüpü arasına yerleştirilen sinyal amplifikatörü alıcıdan gelen sinyalin voltajını arttırır.KATOT IŞINI TÜPÜ (EKRAN):Geri dönen ve amplifiye edilmiş eko impulslarını alır. İşlem görmüş olan bu impulslar katot ışını tüpünde yada osiloskopta görüntü oluştururlar.BİLGİSAYARLA GELEN BİLGİLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ:Hedef dokudan gelen yansımalar son yıllarda çok geliştirilen bilgisayarlar yardımı ile ekranda dondurulup aynı anda hem diğer kesitlerle kıyaslama olanağı veriyor hem de yapay renklendirme ile hedef dokunun daha kolay ayırt edilmesine olanak veriyor. Ayrıca ekranda hedef dokunun fiziksel özellikleri hakkında da bilgi vermektedir.

42. GÖRÜNTÜLEME TEKNİKLERİ • A- MODU (AMPLITUDE MODULATION): Hem puls gönderici ve hemde puls alıcısı özelliğinde olan transduser hedef dokulardan gelen yansımaları algılar ve onları genlikler şeklinde ekranda belirtir. Oluşan genliklerin sayısı, şekli ve büyüklüğü araştırılan yapı hakkında bilgi verir.

43. B- MODU (BRIGHTNESS MODULATION): Hedef dokulardan alınan yansımalar, parlak noktaların lineer bir serisi olarak ekranda ifade edilir. Genliği büyük olan yansımalar daha parlaktır.

44. M- MODU (MOTION MODE) veya T-M (TIME-MOTION) MODU: B- Modunda alınan veriler, düşey eksen doku derinliği ve yatay eksen zaman olmak üzere ekranda iki boyutla gösterilmektedir.Genelde hareketli organların izlenmesinde kullanılır.

45. C-MODU TEKNİĞİ (CONSTANT DEPTH): Sabit derinlikteki hedef dokuların B- Modunda 90 lik açıyla izlenmesi tekniğidir.

46. GRİ-SKALA GÖRÜNTÜLEMESİ: B-Modunda yapılan taramaları fosfor yüzeyli osiloskop ekranına kaydetmek için EŞİK DEĞER deteksiyonu kullanılır. Yani belli bir genliğin üzerindeki yansımalar ekranda belli bir renkle ifade edilirken, daha az şiddetteki yansımalar ekranda hiç görülmezler. Ekran rengi grinin tonları halinde olup, yüksek şiddette olan yansımalar koyu gri, düşük şiddetteki yansımalar ise açık gri renkte görünürler.

47. REAL-TIME SCANNING: Gerçek zaman tarayıcıları genellikle ya bir dönen transduseri ya da transduserlerin LİNEER sıralanmış dizilerini kullanırlar.Gerçek-zaman tarama sistemleri: 1- Parabolik akustik ayna sistemi: Şekilde görüldüğü gibi parabolik aynanın odak noktasına yerleştirilen transduserlerin oluşturduğu ultrases ışınları aynadan asal eksene paralel olarak yansır ve istenilen hedefe doğru yönlendirilir.

48. 2- a) Lineer Transduser dizili sistem: Paralel Ultrases ışınları oluşturmak için bir dizi transduser alt alta sıralanmıştır. Şekilde görüldüğü gibi dizilen transduserler yardımı ile yaklaşık 60 bilgi çizgisi oluşturulabilir.

49. b) Fazlı Lineer Tranduser sistemi: Herbir transduserden yayınlanan ultrases ışınları elektronik düzenleme ile fazlandırılabilir. Böylece oluşan ultrases dalgası değişik derinliklere odaklanabilir

50. ULTRASOUND’UN TARİHSEL GELİŞİMİ(1947, KARL DUSSIK)