Ultraschall

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Ultraschall

  1. 1. Ultraschall Physikalische Grundlagen © Michael Wolrab
  2. 2. Ultraschall ist Schall mit einer Frequenz ab 20 kHz (20.000Hz) – jenseits der menschlichen Hörschwelle (20 – 20.000Hz) Schall pflanzt sich in Form von abwechselnder Kompression und Dehnung eines Mediums fort; die Darstellung des Druckverlaufs an einem bestimmten Ort ergibt eine Wellenform: Ultraschall ist eine Longitudinalwelle – die Partikel bewegen sich in der selben Richtung wie die Welle © Michael Wolrab
  3. 3. Der Abstand von Wellental zu Wellental bezeichnet man als Wellenlänge λ . Die Wellenlänge ist abhängig von der erzeugten US Frequenz und von der Geschwindigkeit der Welle im Medium. Diese Geschwindigkeit ist von der Härte und der Dichte des Gewebes abhängig. Luft 330m/sec Knochen 3500m/sec Weichteilgewebe 1540m/sec 1540m/sec - wird zur Berechnung von Entfernungen im Medizinischen Ultraschall verwendet © Michael Wolrab
  4. 4. Die Zeit von Wellental zu Wellental nennt man Schwingungsdauer T (Periode) Schallgeschwindigkeit c ist ‚Weg pro Zeit‘ => c = λ / T (1) Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde: eine Sekunde geteilt durch die Schwingungsdauer => f = 1 / T (2) Die Frequenz wird in Hertz (Hz) angegeben Setzt man (2) in (1) ein: c = λ x f Die Amplitude beschreibt die Größe der US Welle und die Power Die Power ist direkt proportional der Amplitude, sie ist regelbar und wird in Dezibel (dB) angegeben © Michael Wolrab
  5. 5. Um im Medizinischen Ultraschall einen 2-dimensionalen Bildaufbau zu ermöglichen braucht man eine Tiefenzuordnung => gepulster Ultraschall Pulse Duration = Anzahl der Zyklen x Periode (T) Spatial Pulse Length = Anzahl der Zyklen x Wellenlänge © Michael Wolrab
  6. 6. Pulse Repetition Period = die Zeit vom Start eines Pulses zum Beginn des nächsten Pulses => diese Zeit enthält eine Pulse Duration und die Zeit bis zur Rückkehr dieses Pulses Pulse Repetition Period (roter Pfeil) Pulse Duration (blauer Pfeil) Zeit bis zur Rückkehr des Pulses (schwarzer Pfeil) © Michael Wolrab
  7. 7. Pulsrepetitionsfrequenz = die Anzahl der Pulse pro Sekunde, die das US Gerät sendet. => dies ist abhängig von der Tiefe, weil sich die Zeit bis zur Rückkehr des Pulses damit ändert. © Michael Wolrab
  8. 8. Entfernungsmessung mittels Ultraschall Wird ein kurzer, kräftiger Schall ausgesendet und trifft dieser auf ein Hindernis, das den Schall reflektiert, so ergibt sich ein kurzes, prägnantes Echo, welches wieder zum Sende-Ort zurückkehrt. Wird die Zeit gemessen und ist die Schallgeschwindigkeit bekannt, so kann die Entfernung des Hindernisses bestimmt werden. Geschwindigkeit = Weg / Zeit Weg = Geschwindigkeit x Zeit Schallgeschwindigkeit in Körpergeweben ca. 1540m/sec (= 4-5x höher als in Luft) Tiefe (mm) = 1,54mm/μs x Hin-Retourzeit / 2 © Michael Wolrab
  9. 9. Entfernungsmessung mittels Ultraschall Tiefe (mm) = 1,54mm/μs x Hin-Retourzeit / 2 © Michael Wolrab
  10. 10. Schall im Gewebe Schallabschwächung ist umso größer, je höher die US Frequenz und je größer die Distanz ist. 3 Ursachen der Schallabschwächung: 1. Reflexion (an glatten Oberflächen) 2. Streuung (an unregelmäßigen Oberflächen) 3. Absorption (Umwandlung von US Energie in Wärme) © Michael Wolrab
  11. 11. Der Schallkopf (Transducer) Technische Grundlage ist der ‚Piezoelektrische Effekt‘  1880 entdeckten die Brüder Curie, dass ein Kristall seine Größe ändert, wenn an ihn eine elektrische Spannung gelegt wird, umgekehrt führt Druck auf einen Kristall zum Auftreten von elektrischen Ladungen an seiner Oberfläche, wobei die Größe der Ladung der Druckeinwirkung proportional ist.  Es lässt sich also ein und derselbe Kristall als Sender (Wechselstrom erzeugt Vibration) und Empfänger (reflektierter Schall erzeugt Strom) verwenden und die Geräte entsprechend klein konstruieren. © Michael Wolrab
  12. 12. ‚Piezoelektrische Effekt‘ © Michael Wolrab
  13. 13. Schallkopf (Transducer) © Michael Wolrab
  14. 14. Schallkopf (Transducer) – Phased Array Um den Schallstrahl in unterschiedliche Richtungen dirigieren zu können, verwendet man mehrere nebeneinander liegende Kristalle. Durch zeitlich abgestimmte Ansteuerung der einzelnen Elemente kann der Schallstrahl nun fächerförmig gesendet und auch fokussiert werden (phased array). © Michael Wolrab
  15. 15. Das Echo Bild A-Modus (Amplitude) Das Ultraschallgerät stellt die empfangenen Echos entlang der Entfernungsachse je nach Stärke (Amplitude) dar. B-Modus (Brightness) Die Amplituden werden durch Leuchtpunkte je nach Helligkeit (Brightness) ersetzt. M-Modus (Motion) B-Modus Darstellung entlang einer Zeitachse (1 Schallrichtung) © Michael Wolrab
  16. 16. Das Echo Bild A-Modus (Amplitude) Das Ultraschallgerät stellt die empfangenen Echos entlang der Entfernungsachse je nach Stärke (Amplitude) dar. B-Modus (Brightness) Die Amplituden werden durch Leuchtpunkte je nach Helligkeit (Brightness) ersetzt. M-Modus (Motion) B-Modus Darstellung entlang einer Zeitachse (1 Schallrichtung) © Michael Wolrab
  17. 17. Zweidimensionales Echobild (2D Bild) Für ein 2D Bild wird der B-Modus verwendet, allerdings entsteht das Bild aus der fächerförmigen Abtastung der gewünschten Region. Das US Gerät sendet in eine Richtung, wartet auf die zurückkommenden Echos, ändert die Abstrahlrichtung um ein paar Grad und sendet erneut. Dadurch ergeben sich Bildraten von 30-60 Bildern pro Sekunde. © Michael Wolrab
  18. 18. Zweidimensionales Echobild (2D Bild) Für ein 2D Bild wird der B-Modus verwendet, allerdings entsteht das Bild aus der fächerförmigen Abtastung der gewünschten Region. Das US Gerät sendet in eine Richtung, wartet auf die zurückkommenden Echos, ändert die Abstrahlrichtung um ein paar Grad und sendet erneut. Dadurch ergeben sich Bildraten von 30-60 Bildern pro Sekunde. © Michael Wolrab
  19. 19. Fledermaus Ultraschall 14.000 – 80.000 Hz weitere Beispiele: Delphine, Zahnwale, Nachtfalter © Michael Wolrab
  20. 20. Ultraschall Anwendungsbeispiele Echolot US Materialprüfung US Schwangerschaft Herz-Ultraschall © Michael Wolrab
  21. 21. Vor- und Nachteile Vorteile • Risikoarm • Schmerzlos • Schnelle Durchführung • Anschaffung und Betriebskosten in Relation zu anderen bildgebenden Verfahren gering • umweltfreundlich Nachteile • Qualität der Bilder hängt von vielen Faktoren ab (Patient, Untersucher, US Gerät, ..) • Schwierig zu erlernen • Bild Auflösung im Vergleich zur Eindringtiefe • Fledermäuse können sich bei Nebel oder hoher Luftfeuchtigkeit nicht orientieren © Michael Wolrab

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