Ultradźwięki
Wykład dla studentów kierunku
Analityka medyczna
2012 - 2013
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
Ultradźwięki
Wykład dla studentów kierunku
Analityka medyczna
2012 - 2013
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
•Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości
powyżej 20 kHz
•Zjawiska i parametry dotyczące rozchodzenia się fal
dźwiękowych stosuje się również do ultradźwięków
• Fale ultradźwiękowe odbijają się i załamują na
granicach pomiędzy różnymi ośrodkami
Trochę podstaw
Akustyczne parametry ośrodka
(tkanki)
Prędkość propagacji fali w ośrodku
c
Impedancja akustyczna
ośrodka Z
Współczynnik tłumienia fali
a
ρ
M
c
W ciałach stałych
M
– moduł sprężystości
gęstość
ρ
K
c
W cieczach i gazach
K
– współczynnik ściśliwości
Prędkość ultradźwięków w ośrodku
Prędkość ultradźwięków wzrasta wraz ze
wzrostem temperatury
Tłumienie ultradźwięków
x
e
A
A
a
0
a
=
a
absorbcja
+
a
rozpraszanie
A
– amplituda fali
a
–
współczynnik tłumienia
x
–
przebyta droga
Fala akustyczna jako rozchodzące się
periodyczne ruchy cząsteczek ośrodka
Periodyczne ruchy cząsteczek (o prędkości
v
)
powodują lokalne zmiany ciśnienia (
D
p
)
w ośrodku
Impedancja akustyczna (opór akustyczny)
Stosunek lokalnych zmian ciśnienia
D
p
wywołanych przez
oscylujące cząsteczki do prędkości cząsteczki podczas
oscylacji
v
nazywany jest
impedancją akustyczną
Z
:
Z =
D
p/v
Impedancja akustyczna jest parametrem związanym z
oporem ośrodka przeciw rozchodzącej się w nim fali.
Impedancja akustyczna ośrodka (np. Powietrza, skały,
wody, tkanki), jest parametrem materiałowym:
Z = ρ·c
Gdzie:
ρ
to gęstość ośrodka, a
c
to
prędkość sprężystej fali
podłużnej
(np. dźwięku) w tym ośrodku
Ośrodek
Prędkość
x
10
3
m/s
Impedancja
akustyczna
x
10
6
kg/m
2
s
Współczynnik
tłumienia (1MHz)
dB/cm
Woda
1.483
1.48
0.0022
Powietrze
0.343
0.00045
12
Krew
1.55
1.61
0.17
Tkanka
tłuszczowa
1.45
1.38
3.0
Mięsień
1.55
1.62
0.53
Kość
2.35 - 4.55
4.5
– 9.2
5.0
– 12.0
Ultradźwięki w medycynie
Zastosowania diagnostyczne:
2MHz
– 15 MHz
Zastosowania terapeutyczne:
0.5
– 1.2 MHz
Inne zastosowania laboratoryjne
Diadnostyka ultradźwiękowa
Obrazowanie ultradźwiękowe
Monitorowanie zabiegów wewnątrz ciała
I
o
I
R
I
T
Z
1
=
r
1
c
1
Z
2
=
r
2
c
2
Odbicie ultradźwięków na granicy
pomiędzy dwoma różnymi ośrodkami
2
2
1
2
2
1
)
Z
Z
(
)
Z
Z
(
I
I
R
O
R
Współczynnik odbicia to stosunek natężenia fali
odbitej
na granicy do natężenia fali padającej.
I
o
= 1
I
R
= 0.0064
I
T
=
0.9936
Z
1
= 1.38x10
6
kg/(m
2
s)
Z
2
= 1.62x10
6
kg/(m
2
s)
Odbicie na granicy:
tkanka tłuszczowa-nerka
R = 0.0064
Odbicie na granicy:
mięsień-powietrze
I
o
= 1
I
R
= 0.999
I
T
=
0.001
Z
1
= 1.62x10
6
kg/(m
2
s)
Z
2
= 0.00045x10
6
kg/(m
2
s)
R = 0.999
Odbicie ultradźwięków
Prezentacja A
1
2
3
4
Ekran oscyloskopu
1
2
3
4
Obrazowanie ultradźwiękowe
Prezentacja B
ULTRASONOGRAFIA
•Fala ultradźwiękowa wytworzona przez przetwornik piezoelektryczny jest
wprowadzana do ciała pacjenta (kontaktowo)
•Fala odbija się na granicach pomiędzy tkankami i strukturami w tkankach
•Odbite fale (echa) trafiają do tego samego przetwornika i są przetwarzane na
sygnał elektryczny
•Zmiany tego sygnału są przetwarzane na obraz na ekranie komputera
Metoda echa
rozdzielczość ~ 1 mm
Ultrasonografia
Efekt Dopplera
w pomiarach prędkości krwi
a
cos
2
c
v
f
f
D
Ultrasonografia dopplerowska
•Efekt termiczny
-
Absorpcja energii kinetycznej cząsteczek i jej
zamiana na ciepło; zależy od natężenia i czasu
trwania ekspozycji
Np. 1 MHz o natężeniu 1 W/cm
2
, powoduje
wzrost temperatury 1 cm
3
tkanki miękkiej o
1.44K/min
•Efekt mechaniczny
-
Ruch składników materii
Oddziaływanie ultradźwięków z materią
– podstawy fizyczne
Terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków
•
Diatermia ultradźwiękowa
•
(efekt termiczny)
przykład zastosowania:
bóle mięśni i stawów
•
Mikromasaż
•
(efekt mechaniczny)
przykład zastosowania:
leczenie zbliznowaceń
Wnikanie w skórę
Masaż
ultradźwiękowy
Masaż
mechaniczny
Masaż ręczny
Ultradźwięki rozchodzą się jako lokalne zagęszczenia i
rozrzedzenia ośrodka. Przy wystarczająco dużej mocy fali,
podczas fazy rozrzedzenia może dojść do utworzenia
pęcherzyków kawitacyjnych wypełnionych parą wodną.
Jeżeli ciecz gwałtownie przyśpiesza, to zgodnie z zasadą
zachowania energii, ciśnienie statyczne cieczy musi
zmaleć.
Im niższe ciśnienie – tym niższa temperatura wrzenia –
ciecz wrze i pęcherzyki wypełniają się para wodną.
Kawitacja to gwałtowna przemiana fazowa z fazy
ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia
ciśnienia.
Oddziaływanie ultradźwięków z materią
Kawitacja akustyczna
Kawitacja akustyczna
Pęcherzyki rosną stopniowo a potem zapadają się
podczas fazy kompresji wydzielając energię
wystarczającą zainicjowania zmian mechanicznych i
chemicznych w ośrodku.
Tworzenie
rodników
Erozja
powierzchni
Emisja
akustyczna
Emisja
światła
Oddziaływanie ultradźwięków z materią
•Efekt termiczny
•Efekt mechaniczny
Wpływ ultradźwięków wysokiej
mocy na materię
Efekt zależy od natężenia !
•Przyspieszenie i wzmocnienie pewnych procesów, np.:
dyfuzja, powstawanie
rodników, tworzenie
emulsji,
polimeryzacja
•Dezintegracja i fragmentacja cząsteczek w
zawiesinach (efekt bakteriobójczy), erozja powierzchni,
usuwanie osadów
Natężenia fali ultradźwiękowej w
zależności od zastosowania
Diagnostyka - obrazowanie - do 0,1W/cm
2
Diagnostyka Dopplerowska - do 1W/cm
2
Zabiegi fizjoterapeutyczne - (1- 3) W/cm
2
Czyszczenie powierzchni, rozdrabnianie
cząsteczek, efekty chemiczne - powyżej 10 W/cm
2
Uwaga: Efekt działania zależy nie tylko od mocy ale i od
czasu ekspozycji.
< 0,1W/cm
2
efektu biologicznego nie stwierdzono
nawet po wielu godzinach działania,
> 10 W/cm
2
– efekt biologiczny możliwy już po 20 s
Ultradźwięki wysokiej mocy w
laboratorium
Myjki (wanny) ultradźwiękowe,
Dezintegratory i homogenizatory
Sterylizatory ultradźwiękowe
Nawilżacze
Ultradźwięki wysokiej mocy w
stomatologii
Usuwanie zmian próchniczych,
Oczyszczanie zębów z kamienia
nazębnego
Dziękuję za uwagę!
Zęby psa przed i po czyszczeniu
ultradźwiękowym
