Physikalische Grundlagen der medizinischen Anwendung des Ultraschalls

1. 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

3. Schall: mechanischeWelle (Modell) Pfeife Kompression räumlicheund zeitlichePeriodizität Feder Expansion Überdruck Funktion Unterdruck

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

5. 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,relativeVolumenverminderunggeteilt durchDruck Fortpflanzungsgeschwindigkeit akustischeImpedanz,Wellenwiderstand(Definition) akustischeImpedanz(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-StromStärke effektiver Wert:Dpeff2 = Dpmax2/2 elektrischeAnalogie

11. Energieverlustwährend der Fortpflanzung (Absorption) Dämpfung: J J0 J0/2 J0/e mistin dem diagnostischen Frequenzbereich proportional der Frequenz spezifische Dämpfung: für Weichteilgewebe:~1dB/(cm.MHz)

13. Erscheinungen an derGrenzflächen senkrechterEinfall schrägerEinfall c1>c2 Je Je Jt Lot Jr Jt Jr Jeinfallende= Jt +Jreflektierte ReflexionundTransmission Snellius-Descartes

14. Reflexion (für senkrechten Einfall) Reflexionskoeffizient: “totale” Reflexion: optimaleKopplung:

15. SchrägerEinfallbzw. 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. a b c Erzeugung von US: reziproker ~Detektierung von US: direkter ~ Erzeugung des Ultraschalls. Piezoelektrischer Effekt elektrische Signalquelle (Sinusoszillator)+Wandler (PiezoelektrischerKristall)(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“ – Sinusoszillatorkein 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 desausgesendetenUltraschalles

20. Charakteristiken der Ultraschall-Impulse Transducer/Umwandler: Sender und Empfänger dieselbe Einheitzeitliche 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 axialerRichtung 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 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. Übliche Werte Frequenz (MHz): 215Wellenlänge (in Muskulatur) (mm): 0.780.1Eindringtiefe (einfach) (cm): 121.6 laterale Auflösungsgrenze (mm): 3.00.4axialeAuflösungsgrenze (mm): 0.80.15

26. Frequenzabhängigkeit der Ultraschallreichweite

27. d ct Axiale Auflösungsgrenze Impulsdauer Impulslänge Auflösungsgrenze Die Auflösungsgrenze ist gleichder Hälfte der Impulslänge, weiles 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 Fokussierungvergrössert sich die Divergenz des Bündels im Fernfeld und die Schärfentiefe verschlechtet.

30. Huygens Prinzip

31. ElektronischeFokussierungbeim Senden Verzögerungs-einheiten Wandler-elementen unfokussiertes Bündel fokussiertes Bündel

32. ElektronischeFokussierungbeim 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