FIZYKA MEDYCZNA

WYKŁAD 05- USG - 17.03.06

Co podlega obrazowaniu w badaniach medycznych ?

1. TK- zmienność liniowego współczynnika pochłaniania

2. MRI- stężenie ???? spinów antyrównoległych w zakresie objętości

3. Medycyna nuklearna - aktywność radiopromieniotwórczości farmaceutyka

4. USG- zmienność / wartość impedancji akustycznych poszczególnych elementów ( narządów/ ośrodka )

TK- oznacza nadzwiękowanie - efekt działania dźwięku na element ośrodka

3 podstawowe efekty w zakresie sonifikacji ośrodka :

1. termiczny - w warunkach ekspozycji pojawia się wzrost temperatury

2. mechaniczny - odnoszony do pewnego zakresu częstotliwości , polega na zjawisku kawitacji

Zjawisko kawitacji polega na rozerwaniu ciągłości ośrodka wobec przechodzącej fali mechanicznej, w ośrodku są formy nieciągłości . W ośrodku w warunkach pewnych częstotliwości - nieciągłość ośrodka, pojawiają się pęcherzyki zawierające parę nasyconą cieczy.

3. chemiczny- destrukcja polimerów, zmiany przewodności ośrodka , generacja wolnych rodników

Te 3 podstawowe elementy sumujemy dla określenia efektów biologicznych

Charakterystyczne efekty biologiczne oddziaływania ultradźwięków :

Mechanizm działania ultradźwięków na organizmy żywe nie zostały jeszcze dostatecznie wyjaśnione. Stwierdzić można ,że efekty biologiczne działania fali ultradźwiękowej zależne są przede wszystkim od czasu trwania ekspozycji i od wartości natężenia fali dźwiękowej.

Natężenie małe od 0,1 W * cm^-2 do 1,0 W* cm^-2 powoduje przyspieszenie procesów wymiany , niewielkie nagrzanie i mikromasaż - USG i terapia dźwiękowa .

Natężenie średnie 10 W/ cm² odwracanie procesów ucisku / szczególnie tkanki nerwowej / czas powrotu do stanu normalnego zależy od natężenia i czasu ekspozycji .

Natężenie duże - 100 W* cm^-2 , procesy nieodwracalne , doprowadzające do całkowitego zniszczenia tkanki

Efekty biologiczne działania fali ultradźwiękowej następują po etapie zmian właściwości fizykochemicznych ośrodka. Pod wpływem fali ultradźwiękowej może dojść do następujących procesów fizykochemicznych takich jak:

1. depolimeryzacji dużych biomolekuł takich jak polisacharydy poliglikowe, białka, DNA zlokalizowanego pozakomórkowo, kolagenu

2. zjawiska tiksotropowego tj. przejścia żel-zol np. w miozynie, wodnych roztworach skrobii, koloidach protoplazmy

3. wzrostu przewodnictwa elektrycznego

4. kształtowania reakcji chemicznych

5. wzrostu pęcznienia np. białek fibrylarnych (kolagen)

6. przesunięcia pH w stronę zasadową

7. inaktywacji enzymów

8. wzrostu dyfuzji

9. tworzenia emulsji

10. tworzenia makrorodnikow

11. powstawania kopropolimerow

Krzywa ilustrująca możliwość wystąpienia efektów biologicznych nadzwiękowienia w zależności od czasu ekspozycji i natężenia ultradźwięków:

Natężenie ( W/ cm 2 )

100

10 efekty biologiczne

1

0,1

0,01

brak efektów biologicznych ( diagnostyka )

0,001

1 10 100 1000 10.000 100.000 czas ( sek)

Zakres powyżej krzywej- efekty biologiczne:

1. nagrzewanie

2. depolaryzacja elementow

3. zmiennosc pH

• <0,1 W/cm2 brak efektów biologicznych -> zakres użyteczny dla celów diagnostycznych

• wydłużene czasu działania ultradźwięków o natężeniu <0,1 W/cm2 nie generuje z założenia i oznaczeń efektów biologicznych nawet przy relatywnie długim czasie

• >0,1 W/cm2 mogą wystąpić zmiany -> nagrzewanie lokalne, depolimeryzacja efektów, zmiany w pH

`' P/ wskazania'' do USG :

1. I trymestr ciąży

2. Brak zlecenia w kierunku ustalenia płci noworodka ( płeć nie jest patologią )

Podejrzenie w zakresie genetycznym - oznaczenie płci noworodka ma pewną wartość w kategorii diagnozowania.

Dźwięk - fala mechaniczna podłużna ( lub poprzeczna )

Infra < 20- 20 kHz > ultra

Słyszalne

Ultradźwięki w USG zakres 2- 20 MHz , co dopowiada λ przy U= 1.500 m/s ok. 0,75 - 0,075 mm

Zdolność rozdzielcza

Osiowa ( wgłębna ) - lepsza kątowa ( boczna )

Zależna od częstotliwości zależy od szerokości wiązki

( rosnie z częstotliwością) ( im mniejsza plama ogniska

tym większa )

~ 1,5 λ ~ 10 λ

W zależności od mocy dzielimy fale:

• Aktywność pasywna do 1 W/ cm ² ( USG, mW/ cm² - 1 W/ cm2)

• Aktywność aktywna powyżej 1 W/ cm ( kawitacja przejściowa 1-2 W/ cm² i wzrost temp. 1 cm³ tkanki miękkiej - 1 MHz - 1 min- 1,44 °C) rośnie temp.

USG różnicuje ośrodek ze względu na różnicę impedancji akustycznej

Zdolność rozdzielcza osiowa (wgłębna) jest lepsza bo lambda ma ok. 1,5 to oznacza, że odróżnia 2 elementy odległe od siebie o 15 mm

Boczna- mniej czuła, zależy od częstotliwości wiązki, od cech radiatora

Kawitacja przejściowa w zakresie 1-2 W/cm2 nasila się ze wzrostem natężenia, wskazuje na cechę odniesienia w zakresie temperatury- dla tkanek miekkich przy częstotliwości 1mHz podczas ekspozycji 1 min, temperatura rośnie o 1,5`C

Fala- to rozdzielenie się w czasie i przestrzeni zaburzenie osrodka w zakresie fali podłużnej;to zaburzenie ośrodka oznacza lokalne zmiany ciśnienia w ośrodku.

W fali podłużnej zaburzenie ośrodka oznacza zmiany ciśnienia w ośrodku

Fala dźwiękowa -ciśnieniowa - jest falą podłużną, obrazem fali jest lokalne zaburzenie ciśnienia w ośrodku w kierunku przemieszczania się dźwięku

P

X

• podłużna fala dźwiękowa i związana z nią fala ciśnieniowa

• wysterują rozrzedzenia i zagęszczenia

USG :

Generacja ultradźwięków ( powyżej 20 kHz przez zjawisko piezoelektryczne ( kwas, tytanian baru, cytrynian ołowiu )

Zjawisko piezoelektryczne- występuje przy deformacji mechanicznej kryształu , przy jego ściskaniu ,pojawia się następstwo w formie różnicy napięcia na krawędziach kryształu

W efekcie zjawiska- potencjał elektryczny proporcjonalny do siły ściskającej, przy rozciąganiu napięcie zmienia znak na przeciwny

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne - przyłożenie napięcia zmiennego ( czynnik pierwotny ) - kurczeniu się i rozszerzeniu płytki; formowanie zmienności ciśnienia w obrębie płytki, pojawia się drganie

Parametry fal ultradźwiękowych :

1. podłużna fala dźwiękowa - fala ciśnień ( kawitacja )

2. parametry fali dźwiękowej

λ= c/ γ ; γ = 1 MHz w wodzie - λ= 1,5 mm ( 5 x większe niż w powietrzu )

I= E/ St ; w terapii kW/ m² , w diagnostyce < W/ m²

I= ½ p/ ρ c , L ( dB) = 10 log I/ Io

3. rozchodzenie się fali w osrodku jednorodnym

A= Ao * e ^{- μx} μ= f ( γ ) γ = μ

Osłabienie natężenia wiązki ( amplituda ) jest następstwem : absorpcji , rozpraszania, rozbieżności.

Wzrost zdolności rozdzielczej i wzrost częstotliwości - fala ultradźwiękowa wnika płytko do ośrodka i nic nie zyskamy

Kompromis-wybranie częstotliwości 2-20 mHz: relatywnie dobra zdolność rozdzielcza, zachowana efektywność penetracji wgłębnej fali

4. rozchodzenie się fali w ośrodku niejednorodnym ( warstwowym)

Ośrodki sprężyste charakteryzują oporność akustyczną = impedancja akustyczna .

Z= ρ * C ; ρ- gęstość ośrodka C- prędkość rozchodzenia się fali w ośrodku

W niejednorodnym ośrodku - odbicie , absorpcja, rozpraszanie

Ultradźwiękowa fala padająca prostopadle na ośrodek ulega odbiciu od warstwy rozdzielającej.

Współczynnik odbicia = R = Ir / Io =( Z1- Z0/ Z1+ Z2 ) ² ; Ir- natężenie promienia fali odbitej ; Io - natężenie promienia podającego ; a przechodzące do ( 2) ośrodka natężenie fali jest określone przez współczynnik transmisjii . T= 1-R , w warunkach dużych zmian impedacjii to R ≈1 ( gdy Z 2 ≈ 0 )

W warunkach patologii impedancja ulega zmianie :

a) kurczącego się serca- zmienia się objętość, czyli gęstość

b) otłuszczonej watroby - zmienia się gęstość

c) neo gałki ocznej - zmienia się gęstość - czyli zmienia się impedancja akustyczna - zmienia się sygnał .

Wnioski :

1. przejście z tkanki miękkiej do powietrza, R= 0,9989 , T≈ 0przestrzenie wypełnione gazem uniemożliwiają uwidocznienie tkanek leżących pod nim

2. przestrzeń wypełniona gazem uniemożliwia rozróżnienie tkanek leżących pod nią (uniemożliwiają penetrację)

3. przejście z powietrza do tkanek j.w. co uzasadnia użycie warstwy sprzęgającej np.: żelu, wody itp.

4. Na granicy tkanki miękkiej i kostnej R ≈ 0,9 występuje efekt cienia akustycznego ( artefakt )

Na granicy dwóch ośrodków , jeśli fala pada pod pewnym katem następuje jej odbicie i załamanie.

W określonych warunkach stosowania pojawiają się artefakty USG

1. cień akustyczny - występuje w warunkach silnie odbijającego elementu tkankowego ( impedancja akustyczna jest wyższa niż impedancja wcześniejszego elementu )

2. powtórzonego echa - wielokrotne odbicia pomiędzy dwoma granicami ośrodków (gdy fala dostaje się pomiędzy 2 elementy błoniaste-efekt błądzenia fali o różnej impedancji)

3. efekt lustra - występuje gdy wiązka ultradźwiękowa natrafia na silne zakrzywiona odbijającą powierzchnię

Kąt padania= kątowi odbicia , wobec elementu silnie zakrzywionego , skierowanego pod katem to ulega odbiciu i trafia poza zakres detektora.

Cecha użyteczności w obrazowaniu :

1. czas powrotu wiązki = echo

2. natężenie/ amplituda fali odbitej

3. faza/ przesunięcie fali

10 ^-5 - 10^-8 -powrót sygnału do głowicy , więc kryształ piezoelektryczny musi się przestawić z nadawczego na odbiorczy , więc stosowane są przebiegi impulsowe .

Ultradźwięki fali ciągłej - zakresy czasowe

Ultradźwięki impulsowe- impulsy prostokątne

Impulsy trójkątne 1: 5

Impulsy trapezowe 1: 3

1:5 = czas nadawania (nadajnik) jest 5 razy krótszy niż czas odbierania (detektor)

Im większe natężenie - tym większa różnica napięcie na granicy kryształu ; 20-30 % czasu jako nadajnik - głowica ( przetwornik - głowica, kryształ ) - ciśnienie akustyczne , natężenie dźwięku ( wielkość ) nielektryczne- przetwarzanie różnica potencjałów - wielkość elektryczna .

Głowice :

• liniowe - więcej kryształów piezoelektrycznych

• rotacyjne ( mniej kryształów, ale każdy z nich rejestruje sygnał tylko w warunkach dojścia czołowego do obszaru)

Prędkość ultradźwięków w tkankach :

1. 1.500- 1.600 - krew, wątroba, mięsnie wzdłuż włókien, mózg, nerki

2. 2.500- 4.700- kości

3. 1.600- 1700 - białkówka, soczewka oka, spojówka, mięsnie poprzeczne

Efekt Doplera :

Występuje , gdy występuje względne przesunięcie odbiornika względem źródła dźwięku . Gdy źródło jest nieruchome a odbiornik przybliża się do niego występuje wzrost częstotliwości dźwięku, przy oddalaniu spadek częstotliwości.

γ = γo * ( c + - γ / c )

c- prędkość fali

γ- prędkość odbiornika

+- zbliża się do źródła

• oddala się od źródła

Przy przemieszczaniu się źródła ( U) i obserwatora ( V) przy prędkości fali ( C) zmiana częstotliwości wynosi :

γ = γ ( C + - V/ c + - U )

C - prędkość fali

U- prędkość odbiornika

V prędkość źródła

Litotrypsja

• pacjent umieszczony w wannie z woda

• źródłem fali uderzeniowej , dźwiękowej były elektrody między , którymi wytwarzał się łuk elektryczny - gwałtowne rozprężenie gazu - fala uderzeniowa - ogniskowana przez głowicę na miejsc, które jest identyfikowana głowicą USG

• ograniczenia :

1. ciąża

2. tętniaki na drodze wiązki

3. płuca w pobliżu wiązki

4. rozrusznik serca

5. niewydolności układu krążenia

6. ostre zapalenie dróg żółciowych

7. zapalenie pęcherzyka żółciowego

8. blok dróg żółciowych

9. kamienie w PŻW

10. ostre zapalenie trzustki

11. wrzody żołądka i XII

12. kamień w dolnej części miednicy

13. u kobiet w wieku porodowym

1

ANETKA, GATKA, OLA

---