Echo v kostce - ultrazvuk a zobrazování ultrazvukem (1/4)

Probrat teorii ultrazvuku v jednom článku můžu, ale nechci. Ultrazvuková teorie je zajímavá a stojí za to ji probrat dopodrobna. V průběhu krátkých článků proberu základní teorii zvuku, ultrazvuku, Dopplerova jevu, parametry ultrazvuku při zobrazení, základní projekce, barevné módy, 3D, STE, TDI,  a artefakty v ultrazvuku.

V první části rozeberu co je zvuk a ultrazvuk, jak vzniká a jak se chová.

S jakýmkoliv dotazem se obraťte na FB do zpráv, tady do komentářů nebo na janepear@email.cz.

Zvuk

Ultrazvuk jak napovídá název je zvuková vlna a ačkoli některé fyzikální vlastnosti závisí na frekvenci, základní principy jsou stejné.

Zvuk je mechanické vlnění a všechny mechanické vlny mají svoje místo vzniku (tam kde se rozvibrují částice) a potom také směr šíření. Můžeme je rozdělit na příčné (obr.1) a podélné (obr.2). Zvuková vlna se ve většině případů prostředím šíří pouze jako podélné vlnění, jako příčné se může šířit pouze v pevných látkách.
Protože se budeme i nadále bavit pouze o zvuku a ultrazvuku, který vzniká pouze jako podélné vlnění, příčné šíření dále probírat nebudu.

Pro pochopení  základního rozdílů se stačí podívat na obrázky 1 a 2.

Příčná vlna se šíří prostředím kolmo na směr a vytváří sinusoidy ( tedy vlny s pravidelným maximem a minimem), podélná vlna přesně naopak -  šíří se rovnoběžně se směrem šířením vlny. Vlna vzniká tak, že částice předává energii další částici vedle sebe.

Obr.1 - Příčné vlnění  se šíří od zdroje vlnění kolmo na směr šíření vlny  ( na obrázku s periodickým rozkmitáním). Výsledkem jsou klasické sinusoidy. (pozn. jde o vlnění s volným koncem.)

Obr. 2 . - Podélné vlnění se šíří  rovnoběžně se směrem šířením vlny ( na obrázku s jedním impulzem který se nese z částice na částici.). Vlna vzniká tak, že částice předává energii dálší částici vedle sebe.  Tento model je opravdu zjednodušený, pro lepší představu se podívejte třeba zde. (Pozn. jde o vlnění odražené na konci)

Jak bylo řečeno, zvuk je mechanické vlnění a to znamená, že aby mohl vzniknout, musí existovat zdroj chvění (příkladů je nekonečně, protože je to téměř vše kolem nás, ale pro představu třeba cinknutí do skleničky, kdy se rozechvěje sklo a po přiložení k uchu slyšíte pískání jako následek mechanického rozkmitání).

Vzniklá zvuková vlna se šíří prostředím (např. vzduchem) tak, že jednotlivé částice stlačuje (komprese) a roztahuje (dekomprese)  - viz.obr.3. Komprese a dekomprese šířící se prostředím se pohybuje  pevnou rychlostí a toto stlačování a roztahování lze převést na signál, se kterým se poté dál pracuje - viz.dolní část obr.3.

Obr.3 - Horní část znázorňuje podélné vlnění (červená kolečka znázorňují částice, které jsou ovlivňovány zvukovou vlnou) - místa kde dochází ke stlačení částic se nazývají komprese a místa kde se o sebe vzdalují naopak dekomprese. Při převodu na signál ( dolní část) reprezentují komprese maximální kladnou amplitudu a dekomprese maximální zápornou amplitudu.

Zvuk vnímáme nejvíce v běžném životě v rozmezí 16 Hz - 18 000 Hz, což jež zvuk slyšitelný člověkem, nepřímo nás potom obklopuje infrazvuk, který má frekvenční pásmo pod 16 Hz a ultrazvuk s hodnotami vyššími než 20 000 Hz - viz obr.4

Obr.4 Pozn. Slyšitelný zvuk z pohledu lidské slyšitelnosti 

Vlnění lze popsat pomocí frekvencí, amplitudy, vlnové délky, rychlosti šíření, úhlovým kmitočtem a periodou:

1. Frekvence - frekvence vlny je definována jako počet kmitů za jednotku času. Obvykle se vyjadřuje v Hz nebo jeho násobcích. Frekvence je základní parametr pro pochopení šíření zvuku v tkáních.  Čím vyšší frekvence je, tím se zlepšuje rozlišovací schopnost obrazu, ale snižuje se hloubka, kterou je možné dosáhnout.
2. Amplituda - amplituda je maximální hodnota periodicky měnící se veličiny. Spolu s frekvencí/úhlovou frekvencí, počáteční fází a vlnovou délkou je amplituda jedním ze základních parametrů periodických dějů. V ultrasonografii je amplituda chápána jako akustický tlak udávaný v dB.
3. Vlnová délka -  vlnová délka je nejmenší vzdálenost, na které dochází k opakování tvaru vlny. Z pohledu ultrasonografie vlnová délka udává vzdálenost, kterou zvuk urazil během jedné periody (v mm), udává tak rozlišovací schopnost ultrazvuku.
4. Perioda - perioda udává dobu, za kterou je proveden jeden úplný kmit (cyklus).
5. Rychlost šíření - rychlost šíření zvuku, udává rychlost, jakou se zvuk šíří hmotným prostředím. Čím je prostředí kompaktnější, tím je rychlost šíření vyšší.

Obr. 5 Kdyby někomu přišlo zvláštní že perioda, frekvence a vlnová délka se jeví prakticky jako to samé tak je to tím, že je mezi těmito veličinami velmi úzký vztah.  Vlnová délka jedné celé vlny je  vzdálenost, kterou vlna urazí během jedné periody.  Frekvence zase  udává, kolik zvukových vln se po 1 s nachází na trase rovné vlnové délce.

GENEROVÁNÍ ULTRAZVUKU

V ultrasonografii se používají piezoelektrické generátory založené na piezoelektrickém jevu. Zdrojem vlnění jsou piezoelektrické krystaly, které jsou schopny generovat elektrické napětí při své deformaci a naopak.

Typickým příkladem piezoelektrického krystalu je monokrystalický křemen nebo křišťál, popřípadě vinan sodno-draselný - viz. obr.6.

Obr. 6 Zdroj: http://makezine.com/2008/07/31/how-to-make-piezo-crystal/

Jev lze vysvětlit tak, že deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která se v nezdeformovaném krystalu nacházejí ve stejném bodě se od sebe vzdálí. Na určitých plochách krystalu se objeví elektrický náboj.

Obr.7 Jednoduchá ukázka jak piezoelektrická destička (červená) se změnou voltáže roztahuje a stahuje a vytváří tak mechanickou vlnu. V reálné sondě je ovšem těchto krystalů víc vedle sebe.

Při obráceném piezoelektrickém jevu při tzv. elektrostrikci, způsobí vnější elektrické pole posunutí iontů, což vede k deformaci krystalu. S deformací krystalické mřížky působením vnější síly souvisí i změna měrného elektrického odporu. Tento je označován jako piezorezistivní jev.

Obr.8 Názorná ukázka jednolivých pulzů mechanických vln vygenerovaných ultrazvukovou sondou. Jde o počítačově dobarvené vlny tak aby byly okem viditelná jednotlivé barvy zastupují hlasitost v Db. Vlevo se nachází sonda a vpravo vidíte šíříci se salvu vln.
Zdroj: http://www.ondacorp.com/continuous_beams.shtml

                         
Pokud je elektrické napětí střídavé, koná destička s piezoelektrického pružné kmity v rytmu změn napětí, které je přiváděné z generátoru. Jednoduše řečeno působí-li na piezoelektrický materiál střídavý proud tak se i materiál bude stahovat a roztahovat, podle toho jak krychle budeme proud střídat se bude i piezoelektrický materiál hýbat. Mechanická energie destičky pak rozkmitává okolní prostředí a vytváří podélnou zvukovou vlnu  - viz.Obr.8.

Pro potřeby stomatologie se používají také magnetostrikční generátory, které vyvolávají ultrazvukové kmity v prostředí kolem feromagnetické tyčinky, které jsou umístěné ve střídavém magnetickém poli elektromagnetu. Tyto generátory jsou schopny generovat ultrazvuk s frekvencí pouze 60kHz.

ÚČINKY ULTRAZVUKU

Při průchodu ultrazvuku tkání dochází k absorpci jeho energie.  Míra absorpce je mimo jiné dána vlnovou délkou (a tím i kmitočtem). Čím vyšší je vlnová délka tím, je nižší absorpce a naopak. To mimochodem znamená, že je potřeba mít škálu sond s různým nastavením frekvence, podle toho co a do jaké hloubky je potřeba zobrazit.

Rozlišují se mechanické, tepelné a fyzikálně chemické účinky ultrazvuku na tkáň:

• Mechanické účinky ultrazvuku jsou spojeny s kavitací. Ke kavitaci dochází, při průchodu ultrazvukové vlny kapalinou. Následkem zhušťování a zřeďování dochází ke vzniku vakuových bublinek. Tento jev je využívám hlavně ve stomatologii k odstraňování zubního kamene nebo ledvinových kamenů.
• Tepelné účinky ultrazvuku vznikají třením kmitajících částic prostředí. Nejvýraznější je tento jen na rozhraní měkká tkáň- kost, kde může docházet tzv. periostální bolesti.
• Fyzikálně chemické chemické účinky ultrazvuku vznikají excitací molekul. Využívají se hlavně pro vytváření aerosolů emulzí a suspenzí.