Mekaniska vågor. Diagnostiskt ultraljud fysik, teknik och klinik. Grundläggande akustiska principer

Relevanta dokument
Diagnostiskt ultraljud teknik och klinik

Ultraljudsfysik. Falun

SFOR-kurs Aspenäs herrgård 6 8 april Lars Öhberg, MD, PhD Norrlands Universitetssjukhus, Umeå

= T. Bok. Fysik 3. Harmonisk kraft. Svängningsrörelse. Svängningsrörelse. k = = = Vågrörelse. F= -kx. Fjäder. F= -kx. massa 100 g töjer fjärder 4,0 cm

Diagnostiskt ultraljud bakgrund och utvecklingsmöjligheter

Ultraljudprovning. Inspecta Academy

Vävnadsbehandling med högenergetiskt ultraljud

1 Figuren nedan visar en transversell våg som rör sig åt höger. I figuren är en del i vågens medium markerat med en blå ring prick.

Ljud. Låt det svänga. Arbetshäfte

Ultraljud: Fysik och diagnostik

Repetitionsuppgifter i vågrörelselära

Ultraljudsteknik och fysik

Upp gifter. c. Hjälp Bengt att förklara varför det uppstår en stående våg.

Kursens namn: Medicin, Strålningsfysik, teknik o metodik. OBS! Ange svaren till respektive lärare på separata skrivningspapper om inget annat anges

Knappar du bör kunna idag och imorgon

Vågor. En våg är en störning som utbreder sig En våg överför energi från en plats till en annan. Det sker ingen masstransport

Denna våg är. A. Longitudinell. B. Transversell. C. Något annat

Våglära och Optik Martin Andersson

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

1.3 Uppkomsten av mekanisk vågrörelse

Assistent: Cecilia Askman Laborationen utfördes: 7 februari 2000

Läran om ljudet Ljud är egentligen tryckförändringar i något material. För att ett ljud ska uppstå måste något svänga eller vibrera.

3. Ljus. 3.1 Det elektromagnetiska spektret

Problem Vågrörelselära & Kvantfysik, FK november Givet:

Vågfysik. Superpositionsprincipen

Vår hörsel. Vid normal hörsel kan vi höra:

Laborationsinstruktion för Ultraljudsensorer

Vågrörelselära och optik

Grundläggande akustik. Rikard Öqvist Tyréns AB

Kundts rör - ljudhastigheten i luft

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Lösningsförslag

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Grundläggande Akustik

1. a) I en fortskridande våg, vad är det som rör sig från sändare till mottagare? Svara med ett ord. (1p)

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

OFP metoder. Inspecta Academy

3. Mekaniska vågor i 2 (eller 3) dimensioner

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t s(x,t) =s 0 sin 2π T x. v = fλ =3 5 m/s = 15 m/s

MR: En körning flera sekvenser. MR : mätning av många parametrar. Vad krävs för erhålla en MR bild. D van Westen, BFC, Sus, Lund, VT2010

2. Ljud. 2.1 Ljudets uppkomst

Tentamen i Fysik för K1,

för gymnasiet Polarisation

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

Vågrörelselära. Christian Karlsson Uppdaterad: Har jag använt någon bild som jag inte får använda så låt mig veta så tar jag bort den.

1. Ge en tydlig förklaring av Dopplereffekt. Härled formeln för frekvens som funktion av källans hastighet i stillastående luft.

Vågfysik. Geometrisk optik. Knight Kap 23. Ljus. Newton (~1660): ljus är partiklar ( corpuscles ) ljus (skugga) vs. vattenvågor (diffraktion)

Tentamen i Fotonik , kl

TFEI02: Vågfysik. Tentamen : Svar och anvisningar. t 2π T x. s(x,t) = 2 cos [2π (0,4x/π t/π)+π/3]

Kursens namn: Medicin, Strålningsfysik, teknik o metodik. Datum: Skrivtid: 3 timmar

LYSEKILS KOMMUN Sammanträdesprotokoll Kommunstyrelsen

Handledning laboration 1

TFYA58, Fysik, 8 hp, 3 delar

SÄTT DIG NER, 1. KOLLA PLANERINGEN 2. TITTA I DITT SKRIVHÄFTE.

Disposition. Hantering av bilddiagnostiska undersökningar. Röntgenremissen. Skäl till att bilddiagnostisk undersökning utförs

Vågrörelselära och optik

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Lösning till tentamen i Medicinska Bilder, TSBB31, DEL 1: Grundläggande 2D signalbehandling

Idag. Tillägg i schemat. Segmenteringsproblemet. Transkription

Vågrörelselära och optik

Mekaniska vågor. Emma Björk

Lösningsförslag - tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Oförstörande provning Jan Larsson, ansvarig nivå III:a på Inspecta Sweden AB. Inspecta Academy

Centralt innehåll. O Hur ljud uppstår, breder ut sig och kan registreras på olika sätt. O Ljudets egenskaper och ljudmiljöns påverkan på hälsan.

Frågorna besvaras på skrivningspapper. Skriv kodnummer på varje papper. Sortera dina svar i fyra vita omslag efter frågeområde, ex MR.

Renogram och njurdoppler. Peter Gjertsson Klinisk Fysiologi Sahlgrenska Universitetssjukhuset

Vågrörelselära och optik

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Tentamen. Medicinska bilder kl KAROLINSKA INSTITUTET INSTITUTIONEN FÖR LABORATORIEMEDICIN AVDELNINGEN FÖR MEDICINSK TEKNIK

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Tentamen i Fotonik , kl

Alla svar till de extra uppgifterna

Ljud, Hörsel. vågrörelse. och. Namn: Klass: 7A

Institutionen för Fysik Polarisation

Joniserande strålnings växelverkan Hur alstras röntgenstrålning och vad händer när den når och passerar människa?

för M Skrivtid i hela (1,0 p) 3 cm man bryningsindex i glaset på ett 2. två spalter (3,0 p)

FYSIK ÅK 9 AKUSTIK OCH OPTIK. Fysik - Måldokument Lena Folkebrant

Geometrisk optik reflektion och brytning. Optiska system F9 Optiska instrument. Elektromagnetiska vågor. Det elektromagnetiska spektrumet FAF260


Tentamen i Fysik för M, TFYA72

Hur funkar 3D bio? Laborationsrapporter Se efter om ni har fått tillbaka dem och om de är godkända!

Tentamen i Vågor och Optik 5hp F, Q, kandfys, gylärfys-programm, den 11. juni 2010

Vågrörelselära och optik

Vågrörelselära. Uppdaterad: [1] Elasticitet (bl.a. fjädrar) [15] Superposition / [2] Elastisk energi /

Föreläsning 2 (kap , 2.6 i Optics)

Uppgifter till kursen Bildformation och virtuella miljöer

λ = T 2 g/(2π) 250/6 40 m

Svängningar och frekvenser

1. Mekanisk svängningsrörelse

Fotoelektriska effekten

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

Lars Öhberg, MD, PhD Röntgen; Norrlands Universitetssjukhus Umeå

Vågor och Optik. Mekaniska vågor (Kap. 15) Mekaniska vågor (Kap. 15)

Njurcancer. Vad är njurcancer och hur behandlas den kirurgiskt

Akustik läran om ljudet

I Rymden finns ingen luft. Varför kan man inte höra några ljud där?

The nature and propagation of light

MEDIESIGNALER INTRODUKTION

Transkript:

Mekaniska vågor Diagnostiskt ultraljud fysik, teknik och klinik Zoran Mijovic BFC, Skånes Universitets Sjukhus, Lund Ultraljudsdiagnostik bygger på utbredning av icke joniserande mekaniska ljudvågor genom kroppen till skillnad från övriga medicinska avbildande metoder (röntgen, datortomografi, magnetkameror och gammakameror) som utnyttjar elektromagnetiska vågor. Mekaniska vågor Elektromagnetiska vågen kan ta sig fram nästan överallt, till och med passera rätt igenom vakuum, medan ultraljudsvågen kräver ett fysikaliskt medium. Ultraljudstekniken är känslig och detekterar små förändringar i mjukvävnad. Interreaktioner mellan ultraljudvågor och medium sätter samtidigt en gräns för metodens upplösningsförmåga Uppkomst av olika former av artefakter i ultraljudsbilden. Grundläggande akustiska principer Den mänskliga hörseln kan uppfatta vibrationer med en frekvens upp till 20 000 svängningar per sekund eller 20 khz. Ljud med högre frekvens kallas ultraljud. Ljudintervall Diagnostiskt ultraljud Diagnostiska ultraljudsapparater arbetar med ultraljudsfrekvenser inom området > 2 MHz. När ljudvågen breder ut sig genom ett medium vibrerar»partiklarna» i mediet. För diagnostiskt ultraljud används huvudsakligen s k longitudinella ultraljudsvågor, där partiklarna svänger fram och tillbaka i utbredningsriktningen, varvid mediet växelvis komprimeras och töjs.

Diagnostiskt ultraljud Ultraljudsegenskaper I de blåa områdena sker en ansamling av partiklar, en kompression, och därmed ett lokalt ökat tryck i dessa områden. I de ljusa områdena sker en töjning av mediet och en lokal trycksänkning. Avståndet mellan två tryckmaxima är ljudets våglängd Våglängden λ (m) är det minsta avståndet i utbredningsriktningen mellan identiskt svängande partiklar Frekvensen f0 (Hz) är antalet vågor som passerar en given punkt per sekund Ljudhastigheten c (m s) är den hastighet med vilken vågfronten utbreder sig. Det finns ett enkelt samband mellan dessa: c = λ f0 λ = c/f0 Ljudhastighet Från akustisk synpunkt kan kroppens mjukvävnader betraktas som en vätska. De flesta mjukvävnader uppvisar endast smärre skillnader i ljudhastighet, och därför används ofta ett medelvärde på 1 540 m/s som enhetsvärde på ljudhastigheten i mjukvävnad. Utbredningsmediets akustiska egenskaper En ultraljudvåg som transmitteras genom biologisk vävnad undergår kontinuella modifikationer. En av dem viktigaste är attenuering (dämpning) som leder till en tilltagande intensitetminskning. Dämpning (attenuering) Det finns flera fysikaliska orsaker till att intensiteten i en ultraljudvåg avtar med ökat inträngningsdjup i biologisk vävnad: absorption, reflektion och spridning. En ultraljudvåg som transmitteras genom biologisk vävnad minskar i intensitet eftersom en del av energin absorberas och omvandlas till värme orsak till att höga ljudintensiteter ger upphov till temperaturökning. Reflektion När en ultraljudsvåg påträffar en plötslig ändring i utbredningsmediets akustiska egenskaper, vid gränsytor mellan olika vävnadstyper, sker en reflektion av den infallande ljudvågen. Huvuddelen av vågen fortsätter över gränsytan och kan ge upphov till ultraljudsekon från djupare liggandestrukturer.

Reflektion Reflektion Olika vävnadstyper har olika akustisk impedans eller karakteristisk impedans. Den akustiska impedansen beskriver hur svårt det är för partiklarna att röra sig Z = ρ x c Intensiteten på det reflekterade ekot vid en passage över en gränsyta mellan två olika medier bestäms av ekvationen: Ir = (Z2 Z1/Z2+Z1)² Ljudhastighet och karakteristisk impedans Material Ljudhastighet m/s Karakteristisk impedans (kg/m²s)10-6 Icke biologiskt Luft 0 0 C 331 0,0004 Vatten 25 0 C 1497 1,48 Plexiglas 2670 3,20 Aluminium 6260 18,0 Mässing 4430 38,0 Biologiskt Fett 1450 1,38 Hjärna 1541 1,58 Blod 1570 1,61 Njure 1561 1,62 Lever 1549 1,65 Muskler 1585 1,70 Skallben 4080 7,80 Reflektion Vid en gränsyta mellan fett och njure reflekteras t ex endast 0,64 %av ljusstrålen men det är tillräckligt mycket för att kunna uppfattas som ett eko av ultraljudsgivaren. På motsvarande sätt kan reflektionen mellan muskel och luft beräknas till 99,9 %. Resultatet blir i detta fall ett mycket kraftigt eko, så kraftigt att nästan ingen energi från ultraljudsvågen kan fortsätta förbi gränsytan och ge upphov till nya ekon från djupare liggande strukturer. Man talar i sådana fall om att det uppstår en ekoskugga. Ekoskugga Ultraljudsproduktion Piezoelektriska effekten I ett och samma material får vi en sändare och mottagare av akustiska signaler Vid sändning genereras små vibrationer som resultat av en pålagd växelspänning. De små vibrationerna fortplantas in i vävnaden och reflekteras. När ekona återvänder till kristallen orsakar ljudvågen små mekaniska vibrationer, som i sin tur ger upphov till en potential över kristallytan.

Ultraljudsproduktion Ultraljudsapparater Piezoelektriska effekten upptäcktes 1880 av bröderna Pierre och Jacques Curie. Piezoelektricitet finns naturligt i t ex kvartskristall. Konstgjorda keramiska material av typen blyzirkonat titanat uppvisar mycket större omvandlingseffektivitet. Piezokeramiska kompositer består av tärnade piezokeramiska material (PZT) som är inbäddade i en polymer för att uppnå bättre akustiska egenskaper. Ultraljudsapparaten Den reflekterade ekopulsen som återvänder till ultraljudsgivaren efter en gångtid är direkt proportionell till avståndet mellan givaren och den reflekterande gränsytan dividerad med hastigheten (1540 m/s). Genom att mäta ankomsttiderna för olika återvändande ultraljudsekon kan avståndet mellan givarens yta och respektive gränsyta beräknas. Återvändande ultraljudsekon omvandlas till elektriska signaler som kan förstärkas och presenteras på en bildskärm. Digitalisering och memorering av ekoinformation 1. Digitalisering: elektriska signaler transformeras till en serie av intensitet/bild koordinater 2. Digital till analog omvandlare Ekogivare Ekogivare Feldman M K et al. Radiographics 2009;29:1179-1189

Take Home Knowledge Högfrekvent ekogivare Bra upplösning Sämre penetration Lågfrekvent ekogivare Sämre upplösning Bra penetration Ekogivare Modaliteter B mode Brightness mode, grunden för alla tvådimensionella ultraljudsbilder. Real timeuppdatering av bilder är hastig och kontinuerlig Doppler Använder Dopplereffekten för att påvisa blodkroppar i rörelse och mäta flödeshastigheter. Kontinuerlig ultraljudsdoppler för mätning av höga flödeshastigheter. Pulsad Doppler mäter på ett specifikt djup. Duplex Flödeshastighetsmätningen kombineras med en tvådimensionell bild (B mode och pulsad Doppler). En mätpunkt kan placeras på valfri plats i bilden. Modaliteter FärgDoppler Färgkodade Dopplersignaler Färgduplex Triplex.Duplexteknik med färgkodning av Dopplersignaler Power Doppler (CDE) Dopplersignaler ger ett mått på den reflekterade signalens energi (mängden reflekterande blodkroppar) istället för signalens frekvens som vid konventionell Doppler. Visar förekomsten av blodflöde, däremot inte flödeshastighet. Kontrastmedel Ett sätt att öka den reflekterade signalstyrkan är att injicera någon form av kontrastmedel i blodbanan som ökar den akustiska reflektionen. Koksaltinjektioner Lösning som innehåller mikroskopiska gasbubblor. För att inte gasen omedelbart skall tas upp av blodet måste gasbubblorna vara stabiliserade. Storleken på mikrobubblorna är mellan 2 10 μm så att de passerar lungkretsloppet. Kontrastmedel med gasbubblor Gasbubbla När ultraljudsvågen träffar gasbubblor sker inte bara en enkel reflektion utan även ett resonansfenomen, vilket innebär att bubblan ändrar sin diameter med samma frekvens som den infallande ultraljudssignalen. Den svängande gasbubblan kan därvid uppvisa ett olinjärt beteende som genererar övertoner med dubbla frekvensen (second harmonic) i den reflekterade ultraljudsvågen.

Pulse Inversion Imaging Principen: Två pulsar skickas ut i kroppen varav den andra pulsen är en spegelbild av den första (180 º fasändring). Summan av två linjära inverterade pulsar som kommer från vävnaden är noll. Signaler detekterade från bubblor är nonlinjära harmoniska toner innehållande även second harmonic. Därmed detekteras signaler endast från bubblor men inte från vävnaden. Högre sensitivitet Lågt MI (infallande energi) Icke destruktiv avbildning av gasbubblor 3D och 4D ultraljud De 3D bilder används för att visa tredimensionella externa bilder som kan vara till hjälp vid vissa diagnoser (kluven läpp). Vid 4D ultraljud uppdateras bilderna kontinuerligt och skapas en rörlig sekvens, som en film. Förekomst av benvävnad eller luft där ultraljudsvågor passerar erhålles kraftiga ekon i bilden!! Skugga Skugga Gallsten Njursten S

Skugga Förstärkning NJURSTENAR Normal gallblåsa Normal gallblåsa Normal urinblåsa Förstärkning Kantskugga NJURCYSTOR GALLBLÅSA LEVERCYSTA LEVERCYSTOR Normal lever

Normal lever Cystisk vs solid förändring Fat sparing Fokal steatos Vanliga lokaler: I anslutning till gallblåsebädden I anslutning till stora leverkärlen Subkapsulärt Vanliga lokaler: Segment 3 i anslutning till lig teres hepatis I anslutning till stora leverkärlen Hemangion, vanlig presentation Hemangiom

Metastaser vanliga ultraljuds mönster Metastaser Levermetastaser Leverabscess Normal gallblåsa Gallsten S

Multipla gallstenar Cholecystit /akut Cholecystit /kronisk Adenomyomatos Cholecystit /kroniskt adenomyomatos Aschoff Rokitansky fickor Polyp i gallblåsa

Normal pancreas Normal pancreas Pancreas/Ultraljuds anatomi Pancreas/Ultraljuds anatomi H IVC PV K S MSA AO PV SV PANCREASKROPPEN Akut pancreatit Akut pancreartit, komplikationer Diffus pancreatit Fokal pancreatit Pancreas pseudocysta Fokal pancreatit oftast i pancreashuvudet; svårt att skilja från pancreascancer särskilt vid akut pancreatit som uppstår på basen av kronisk pancreatit och utan kliniska bevis

Kronisk pancreatit Kronisk pancreatit Pancreascancer Cystisk adenocarcinom i pancreas Double duct sign Normal mjälte

Bimjälte Splenomegali 13 cm i längd hos vuxna 1,25 gånger längre än vänster njure hos barn Orsaker: Kongestiv splenomegali: portal hypertension, occluision av mjältvenen, sickle cell sjukdom Lesioner med massefect : tumör, abscess, cysta Inlagringstillstånd: amyloidos, hemochromatos Infektion: malaria, TB, svamp, bakterier Kongenital cysta / abscess Cystiska lesioner Bakteriell abscess Mjältlymfom kan likna mjältcystor Lymfom Vi bör titta på gränsytan mellan förändringen och omgivande vävnad!!! Dåligt avgränsad lymfom Välavgränsad cysta Semin Ultrasound CT MRI 27:370-388 2006 H. Ishida et al. Splenic lymphoma: differentiation from splenic cyst with Ultrasonography. Abdom Imaging 26:529 532 (2001) Metastaser Förkalkningar MELANOM BRONCHUS CARCINOM TARGET lesion Tankeväckande Granulom (solitära eller multipla): TB, histoplasmos, sarkoidos Hamartom Väggförkalkningar i cysta/abscess/gammalt hematom Kärlförkalkningar (linjära)

Trauma Njurar/Normal ultraljuds anatomi Hypertrofisk columna Bertini Mellan proximala och mellersta tredje delen Oftast i vänster njure Sällan bilaterlat Isoekogen och i kontinuitet med corticalis Protruderar in i njursinus Innehåller pyramider Inget patologiskt blodflöde; a arcuata kan detekteras Hypertrofisk columna Bertini DDx Ärrbildning: reducerad corticalis på platsen för ärret med kompensatorisk hypertrofi av frisk vävnad Dubbelt samlingsystem: två njursinus separerade av parenkymbrygga Puckel: buktande kortikalis/pseudotumör Njurtumör

Cortical junktional defekt Cortical junktional defekt DDx Angiomyolipom Ärrbildning Fetal lobering Angiomyolipom a Fetal lobering Ärrbildning Njurcystor Polycystisk sjdm Hydronefros, Ja eller Nej? Hydronefros, Ja eller Nej? Calyces som breder sig ut och prominent njurbäcken även vid fylld urinblåsa

Hydronefros, måttlig grad Hydronefros, måttlig grad Hydronefros / Hydrouretär Hydronefros, kraftig grad Njursten Njursten Twinkling artifact

AV shunt i njure Njurtumör Njurcancer med levermetastas