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Ultraschall
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Ultraschall
1.
Ultraschall Physikalische Grundlagen
© Michael Wolrab
2.
Ultraschall ist Schall
mit einer Frequenz ab 20 kHz (20.000Hz) â jenseits der menschlichen Hörschwelle (20 â 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 â die Partikel bewegen sich in der selben Richtung wie die Welle © Michael Wolrab
3.
Der Abstand von
Wellental zu Wellental bezeichnet man als WellenlÀnge λ . Die WellenlÀnge ist abhÀngig von der erzeugten US Frequenz und von der Geschwindigkeit der Welle im Medium. Diese Geschwindigkeit ist von der HÀrte und der Dichte des Gewebes abhÀngig. Luft 330m/sec Knochen 3500m/sec Weichteilgewebe 1540m/sec 1540m/sec - wird zur Berechnung von Entfernungen im Medizinischen Ultraschall verwendet © Michael Wolrab
4.
Die Zeit von
Wellental zu Wellental nennt man Schwingungsdauer T (Periode) Schallgeschwindigkeit c ist âWeg pro Zeitâ => 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 GröĂe 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.
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 WellenlÀnge © Michael Wolrab
6.
Pulse Repetition Period
= die Zeit vom Start eines Pulses zum Beginn des nĂ€chsten Pulses => diese Zeit enthĂ€lt eine Pulse Duration und die Zeit bis zur RĂŒckkehr dieses Pulses Pulse Repetition Period (roter Pfeil) Pulse Duration (blauer Pfeil) Zeit bis zur RĂŒckkehr des Pulses (schwarzer Pfeil) © Michael Wolrab
7.
Pulsrepetitionsfrequenz = die
Anzahl der Pulse pro Sekunde, die das US GerĂ€t sendet. => dies ist abhĂ€ngig von der Tiefe, weil sich die Zeit bis zur RĂŒckkehr des Pulses damit Ă€ndert. © Michael Wolrab
8.
Entfernungsmessung mittels Ultraschall
Wird ein kurzer, krĂ€ftiger Schall ausgesendet und trifft dieser auf ein Hindernis, das den Schall reflektiert, so ergibt sich ein kurzes, prĂ€gnantes Echo, welches wieder zum Sende-Ort zurĂŒckkehrt. 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/ÎŒs x Hin-Retourzeit / 2 © Michael Wolrab
9.
Entfernungsmessung mittels Ultraschall
Tiefe (mm) = 1,54mm/Όs x Hin-Retourzeit / 2 © Michael Wolrab
10.
Schall im Gewebe
SchallabschwĂ€chung ist umso gröĂer, je höher die US Frequenz und je gröĂer die Distanz ist. 3 Ursachen der SchallabschwĂ€chung: 1. Reflexion (an glatten OberflĂ€chen) 2. Streuung (an unregelmĂ€Ăigen OberflĂ€chen) 3. Absorption (Umwandlung von US Energie in WĂ€rme) © Michael Wolrab
11.
Der Schallkopf (Transducer)
Technische Grundlage ist der âPiezoelektrische Effektâ ï 1880 entdeckten die BrĂŒder Curie, dass ein Kristall seine GröĂe Ă€ndert, wenn an ihn eine elektrische Spannung gelegt wird, umgekehrt fĂŒhrt Druck auf einen Kristall zum Auftreten von elektrischen Ladungen an seiner OberflĂ€che, wobei die GröĂe der Ladung der Druckeinwirkung proportional ist. ï Es lĂ€sst sich also ein und derselbe Kristall als Sender (Wechselstrom erzeugt Vibration) und EmpfĂ€nger (reflektierter Schall erzeugt Strom) verwenden und die GerĂ€te entsprechend klein konstruieren. © Michael Wolrab
12.
âPiezoelektrische Effektâ ©
Michael Wolrab
13.
Schallkopf (Transducer) ©
Michael Wolrab
14.
Schallkopf (Transducer) â
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 fÀcherförmig gesendet und auch fokussiert werden (phased array). © Michael Wolrab
15.
Das Echo Bild
A-Modus (Amplitude) Das UltraschallgerÀt stellt die empfangenen Echos entlang der Entfernungsachse je nach StÀrke (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.
Das Echo Bild
A-Modus (Amplitude) Das UltraschallgerÀt stellt die empfangenen Echos entlang der Entfernungsachse je nach StÀrke (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.
Zweidimensionales Echobild (2D
Bild) FĂŒr ein 2D Bild wird der B-Modus verwendet, allerdings entsteht das Bild aus der fĂ€cherförmigen Abtastung der gewĂŒnschten Region. Das US GerĂ€t sendet in eine Richtung, wartet auf die zurĂŒckkommenden Echos, Ă€ndert die Abstrahlrichtung um ein paar Grad und sendet erneut. Dadurch ergeben sich Bildraten von 30-60 Bildern pro Sekunde. © Michael Wolrab
18.
Zweidimensionales Echobild (2D
Bild) FĂŒr ein 2D Bild wird der B-Modus verwendet, allerdings entsteht das Bild aus der fĂ€cherförmigen Abtastung der gewĂŒnschten Region. Das US GerĂ€t sendet in eine Richtung, wartet auf die zurĂŒckkommenden Echos, Ă€ndert die Abstrahlrichtung um ein paar Grad und sendet erneut. Dadurch ergeben sich Bildraten von 30-60 Bildern pro Sekunde. © Michael Wolrab
19.
Fledermaus Ultraschall 14.000
â 80.000 Hz weitere Beispiele: Delphine, Zahnwale, Nachtfalter © Michael Wolrab
20.
Ultraschall Anwendungsbeispiele Echolot
US MaterialprĂŒfung US Schwangerschaft Herz-Ultraschall © Michael Wolrab
21.
Vor- und Nachteile
Vorteile âą Risikoarm âą Schmerzlos âą Schnelle DurchfĂŒhrung âą Anschaffung und Betriebskosten in Relation zu anderen bildgebenden Verfahren gering âą umweltfreundlich Nachteile âą QualitĂ€t der Bilder hĂ€ngt von vielen Faktoren ab (Patient, Untersucher, US GerĂ€t, ..) âą Schwierig zu erlernen âą Bild Auflösung im Vergleich zur Eindringtiefe âą FledermĂ€use können sich bei Nebel oder hoher Luftfeuchtigkeit nicht orientieren © Michael Wolrab