FIZIKA U MEDICINI ULTRAZVUK U MEDICINSKOJ DIJAGNOSTICI Prof

FIZIKA U MEDICINI: ULTRAZVUK U MEDICINSKOJ DIJAGNOSTICI Prof. Dr Slobodanka Stanković Prirodno-matematički fakultet – Departman za fiziku Univerzitet u Novom Sadu 21000 Novi Sad Trg Dositeja Obradovića 4 E-mail: cica@uns. ac. yu

SADRŽAJ PREDAVANJA UVOD: ZVUK I ULTRAZVUK I DEO: GENERISANJE I DETEKCIJA ULTRAZVUKA II DEO: REFLEKSIONA (EHO) TEHNIKA U MEDICINSKOJ DIJAGNOSTICI III DEO: DEJSTVO ULTRAZVUKA NA BIOLOŠKE SISTEME

UVOD: ZVUK I ULTRAZVUK MEHANIČKI TALASI – OSNOVNE KARAKTERISTIKE v a. s b. v = l/T l x, t t=0 t=T ZVUK JE MEHANIČKI LONGITUDINALNI TALAS FREKVENTNOG OPSEGA 20 – 20. 000 Hz Pravac oscilovanja čestica Pravac prostiranja talasa

UVOD: ZVUK I ULTRAZVUK ZVUČNI TALASI U GASOVIMA – INTENZITET TALASA s A 0 0 x, t klip I = Φ/S = (½) ρ A 02ώ2 Dp Dpmax 0 x, t

UVOD: ZVUK I ULTRAZVUK Zvu k Ultrazvuk Frekvencija Intenzitet 20 -20. 000 Hz 10 -12 W/m 2 - 10 W/m 2 20. 000 Hz – 109 Hz Dijagnostički 10 - 40 W/m 2 Terapeutski > 1. 000 W/m 2 Zbog svoje velike prodornosti i interakcije sa materijalnom sredinom (tkivom), ultrazvuk se široko primenjuje u skoro svim granama medicine i to, pre svega, u dijagnosti, ali se takođe koristi u terapiji i hirurgiji. U poređenju sa ostalim tehnikama oslikavanja, kao što su kompjuterizovana tomografija (CT) i megnetna rezonanca (MR), aparatura za ultrasonografiju je mnogo jednostavnija i jeftinija, a opasnosti od izlaganja organizma ultrazvučnim talasima su mnogo manje u poređenju sa jonizujućim zračenjem.

I DEO: GENERISANJE I DETEKCIJA ULTRAZVUKA Generisanje i detekcija ultrazvuka - osnovni principi • • • inverzni piezoelektrični efekt pretvarači ili transdjuseri Aparat se sastoji od generatora i aplikatora. Generator proizvodi električne oscilacije različitog napona i frekvencije, koje se konvertuju u aplikatoru u odgovarajuće mehaničke (ultrazvučne) oscilacije. metalni sloj ka generatoru i mernoj tehnici ka pacijentu pločica metalno kućište prigušni blok

I DEO: GENERISANJE I DETEKCIJA ULTRAZVUKA Kontinuirani i pulsni zvučni talas vibrirajuća površina transdjuser vibrirajuće čestice pravac prostiranja zvuka a/ prostiranje kontinuiranog talasa b/ prostiranje pulsnog talasa

I DEO: GENERISANJE I DETEKCIJA ULTRAZVUKA Generatori i detektori ultrazvuka (transdjuseri) • transdjuseri napravljeni od jednog elementa (a) • transdjuseri napravljeni od više elemenata: liearni niz (b) i prstenasti niz (c) transdjuser sočivo Fxy (fiksirani) y x transdjuser a z sistem za elektronsko vođenje transdjuser Fy (fiksiran) elevaciona ravan Fx (promenljiv) y x x z Fxy (promenljivi) y azimutalna ravan b z c

Prstenasti transdjuser sa elektronskim vođenjem sat sistema nema kašnjenja nema trans kašnjenja miter kratko kašnjenje trans miter dugo kašnjenje trans miter talasni front fiksirano kašnjenje promenljivo kašnjenje nema dugo kašnjenja kašnjenje PRIJEMNIK sabirač kratko kašnjenje nema kašnjenja ELEKTRONSKI SISTEM fokus putna razlika PRSTENASTI TRANSDJUSER

I DEO: GENERISANJE I DETEKCIJA ULTRAZVUKA Ultrazvučni snop - osnovne karakteristike a. b. c. T=d 2/4 l d blisko polje daleko polje q ravan transdjuser 0, 6 T sinq = 1, 22 l/d fokus radijus krivine R = T a) slabo fokusirajući transdjuser 0, 24 T fokus radijus krivine R = 0, 25 T b) srednje fokusirajući transdjuser

Interakcija ultrazvuka sa materijalnom sredinom granične površine ultrazvučna sonda transmisija refleksija rasejanje u nehomogenoj sredini

1. Ponašanje ultrazvuka pri prolasku kroz homogenu sredinu I 0 Id generator detektor Id = I 0 e-2 ad a = (1/2 d) ln(I 0/Id) d • • • Materijal Vazduh Voda Krv Masno tkivo Mišično tkivo r (kg/m 3) v (m/s) 1, 29 331 1, 00 x 103 1480 1, 02 x 103 1560 0, 92 x 103 1450 1, 04 x 103 1580 Z (kg/m 2 s) a (d. B/mm)pri 1 Mhz 4, 30 x 102 0, 12 1, 48 x 106 0, 0002 1, 60 x 106 0, 02 1, 33 x 106 0, 03 1, 64 x 106 0, 07

2. Ponašanje ultrazvuka na granici dveju homogenih sredina • Koeficijent refleksije (R) i koeficijent trasmisije (T) R, T (%) 100 80 T 60 40 R 20 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 Z 1/Z 2 R+T=1

Ponašanje ultrazvuka na granici dveju homogenih sredina - primeri Primer 1. Izračunajte kolika će biti amplituda i intenzitet reflektovanog i transmitovanog talasa u odnosu na upadni talas pri prelasku ultrazvuka iz vazduha u mišić. Vrednosti odgovarajućih akustičkih impedanci uzeti iz Tabele. AR / A 0 = (Z 1 -Z 2)/(Z 1+Z 2) = (1, 64 x 106 - 430)/(1, 64 x 106 + 430) = 0, 9995, AR = 0, 9995 A 0 AT / A 0 = 2 Z 1 / (Z 1+Z 2) = 2 x 430 / (1, 64 x 106 + 430) = 0, 0005, AT = 0, 0005 A 0 IR / I 0 = (AR / A 0)2 = 0, 99952 = 0, 9990 IR = 0, 9990 I 0 IT / I 0 = (Z 2/ Z 1) (AT / A 0)2 = (1, 64 x 106/430) 0, 00052 = 0, 0009 IT = 0, 0009 I 0 Primer 2. Koristeći podatke iz iste tabele izračunajte kolika će biti amplituda i intenzitet reflektovanog i transmitovanog talasa u odnosu na upadni talas pri prelasku ultrazvuka iz vode u mišić. AR / A 0 = (Z 1 -Z 2)/(Z 1+Z 2) = (1, 64 - 1, 48)x 106/(1, 64 + 1, 48)x 106 = 0, 0513, AR = 0, 0513 A 0 AT / A 0 = 2 Z 1/(Z 1+Z 2) = 2 x 1, 48 x 106/(1, 64 x 106 + 430) = 0, 9487, AT = 0, 9487 A 0 IR / I 0 = (AR / A 0)2 = 0, 05132 = 0, 0026 IR = 0, 0026 I 0 IT / I 0 = (Z 2/ Z 1) (AT / A 0)2 = (1, 64 /1, 48) x 0, 94872 = 0, 9973 IT = 0, 9973 I 0

Ultrazvučna slika Oblik ultrazvučne slike (ultrasonic scan) a. sektorski oblik b. linearni oblik c. konveksni oblik

Dobijanje linearne i sektorske UZ slike oscilujuća glava motora rotirajuća glava motora točak sa tri transdjusera transdjuseri voda ili ulje kontakt sa pacijentom a b c

TRANSDJUSERI ZA DOBIJANJE SEKTORSKE, LINEARNE I KONVEKSNE ULTRAZVUČNE SLIKE

Elektronska obrada ultrazvučne slike Blok dijagram ehografa DISPLEJ A prijemnik transmiter procesiranje signala

II DEO: ULTRAZVUČNA DIJAGNOSTIKA Refleksiona (eho) tehnika u medicinskoj dijagnostici Većina dijagnostičkih primena ultrazvuka bazira se na pulsnoj eho tehnici. Ultrazvučna sonda je i generator primarnog pulsa i registrator reflektovanog pulsa. Vreme emitovanja pulsa je veoma kratko, reda veličine 1 ms. Sondi je potrebno oko 1% perioda za emisiju pulsa. 99% perioda sonda deluje kao prijemnik reflektovanog pulsa. Komercijalne dijagnostičke sonde su ekstremno osetljivi prijemnici i mogu da registruju reflektovane pulseve čija energija iznosi svega 1% od energije emitovanog pulsa. Eho se vraća u sondu sa kašnjenjem koje odgovara dubini reflektujuće površine. Atenuacija (slabljenje) snopa u biološkim tkivima zavisi od upotrebljene frekvencije. Proporcionalno veća frekvencija koristi se za ispitivanje manjih struktura. Eho tehnika se upotrebljava za statička i dinamička merenja: • Statička merenja mogu biti jednodimenziona (A-scan), dvodimenziona 2 D (B- scan) i trodimenziona (3 D). • Za dinamička merenja se koriste M-scan metod i Doplerova tehnika, kao i „real time“ B-scan i 4 D prikaz.

II DEO: ULTRAZVUČNA DIJAGNOSTIKA A-scan (a) (c) (b) d d 1 s A-scan: Pikovi odgovarajućih amplituda pokazuju položaj zidova suda (a); Prikaz položaja prepreke u sudu (b); Prikaz prepreke koja osciluje (c).

A-scan u oftalmologiji A-scan se ređe upotrebljava u medicinskoj dijagnostici. Koristi se u oftalmologiji za merenje dimenzija elemenata oka. Na osnovu dobijenih podataka i jednostavnog softvera može se brzo i dovoljno precizno odrediti potrebna dioptrija naočara za eventualnu korekciju vida.

A-scan u ehoencefalografiji Ovaj metod se takođe sa uspehom koristio (naročito pre pronalaženja CT) u otkrivanju tumora mozga. Potrebno je napraviti dva snimka postavljanjem sonde sa jedne pa zatim sa druge strane glave. Ukoliko srednja linija glave nije u istom položaju na oba snimka, to ukazuje na mogućnost da se u jednoj polovini mozga nalazi neka lezija.

B-scan • • • Pomeranjem sonde duž posude dobija se niz horizontalnih linija jednodimenziono moduliranog intenziteta. Slaganjem ovih linija po vertikali dobija se druga dimenzija, a time i dvodimenziona slika. Za statičan objekt brzina pomeranja sonde može biti onakva kakvu želimo. Moguće je i duže zadržavanje na nekim od linija kod kojih je uočena neka nepravilnost. Pri ručnom skeniranju slika se mora uskladištiti putem analognog ili digitalnog scan-konvertora. Tada govorimo o tehnici specijalno orijentisanog B-moda, koji daje dvodimenzionu sliku poprečnog preseka objekta. U slučaju kretanja objekta sonda se mora pomerati što je moguće brže, čime se slika preseka dobija u kratkom vremenskom intervalu i sinhrono prati promene usled pomeranja objekta. Ova tehnika se naziva brzi (“živa slika” ili "real time" B-mod).

A-scan, B-scan i 2 D B-scan Primer upotrebe A-scana, B-scana i dvodimenzionalnog B-scana za analizu stacionarnog objekta prikazan je na slici. Slika u A-modu i jednodimenzionom B-modu dobija se pri fiksiranom položaju sonde. Dvodimenzioni B-scan se dobija pomeranjem sonde po površini pacijenta. granice skeniranja sonda A-scan mehanički skener B-scan 2 D B-scan tehnika ima najveću primenu u opstetriciji, gde daje informacije o razvoju fetusa, položaju placente i anatomiji fetusa, u vizuelizaciji jetre, bubrega, bešike, pankreasa, tiroidne žlezde, oka, dojke i krvnih sudova. Moguće je detektovanje lezija (mogu se uočiti razlike između čvrstog tumora i tečne ciste).

“Real time” B-scan Brzo skeniranje se može realizovati ili brzim mehaničkim pomeranjem jedne ili više jedno-elementnih sondi, ili elektronskim uključivanjem i kontrolom niza sondi. aktivni element "Real-time" sistemi omogućuju da se strukture koje se brzo kreću (naročito srce) oslikavaju i ispituju u dve dimenzije. Upotreba "real-time" sistema umesto "statičnog" B-scana je pogodnija jer omogućuje bržu identifikaciju struktura i njihovih odnosa.

M-scan • M-scan se koristi u ispitivanju kretanja bioloških struktura. Koristi se za ispitivanje širenja i skupljanja krvnih sudova pri proticanju krvi kroz njih, za praćenje pomeranja zidova srca u toku srčane aktivnosti i sl. a b c v r e m e

A-scan, 2 D B-scan i M-scan

Kombinovani prikaz 2 D B-scana i M-scana

Kombinovani prikaz “Real time” B-scana i M-scana

Trodimenziona (3 D) ultrasnografija • Za trodimenzionu rekonstrukciju posmatranog objekta potrebno je imati veliki broj podataka. Oni se mogu dobiti primenom tomografije, odnosno snimanjem velikog broja slika tankih slojeva pod različitim uglovima. Ti slojevi su najčešće paralelni sa površinom transdjusera (C-scan). (a) (b) pixel (c) voxel Ovaj način ultrasonografske dijagnostike se pokazao naročito koristan u kardiologiji i angiologiji, ali se može upotrebiti i u drugim oblastima medicine.

Vizuelizacija 3 D prikaza pomoću preseka Slika 6. 13. Tri međusobno normalna preseka zapremine; na ekranu se vide kombinacije A+B i A+C preseka.

Prevođenje 3 D u 2 D prikaz x voxe l z y x ZAPREMIN A pixel y 2 D PRIKAZ

2 D, površinski 3 D i 4 D prikaz Četvorodimenzionalna ultrasonografska slika dobija se kada se prethodnim parametrima, koji određiju tri dimenzije ispitivanog tela, doda vreme kao četvrta dimenzija. U tom slučaju se može posmatrati pomeranje tela u realnom vremenu.

OB - Fetal Face four. Sight™ 4 D ultrasound imaging technolog

Dopler i kolor Dopler u ultrasnografiji Ultrazvučna doplerska sonografija je grupa tehnika koje koriste Doplerov efekt u cilju merenja ili oslikavanja brzine toka krvi u krvnim sudovima i srcu. Osnovne tehnike su: • Kontinuirani ultrazvučni (CW) dopler, • Pulsni ultrazvučni (PW) dopler, • Kolor dopler. ultrazvučna sonda transmitovani snop krvni sud reflektovani snop q brzina eritrocita = f. D c / 2 ft cos q Primena Doplerove metode na određivanje brzine kretanja eritrocita.

KOLOR DOPLER crveno Plavo

Normal Carotid Arteries branching into ICA, ECA, and STA Narrowing of the Carotid Artery due to extensive plaque (red segment) Turbulent Flow patterns in large abdominal aortic aneurym Leaking Intraluminal Aortic Graft

Sistolna mitralna regurgitacija dobijena pomoću kolor doplera, zajedno sa dvodimenzionim B-scan sektorskim ultrazvučnim prikazom.

Kidney - Renal Flow Power Doppler Imaging

Kidney - Renal Vasculature four. Sight™ 4 D ultrasound imaging technology

FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA UNIVERZITET U NOVOM SADU PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET DEPARTMAN ZA FIZIKU SLOBODANKA STANKOVIĆ FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA ZA STUDENTE MEDICINSKE FIZIKE I MEDICINE SLOBODANKA STANKOVIĆ NOVI SAD, 2006.