Harjoitustehtävä 20.2.2014: ultraääni Ultraääni on ääntä, jonka taajuus on kuultavan äänen taajuuden yläpuolella (rajataajuus n. 20 kHz). Sitä käytetään lääketieteessä ylesimmin ultraäänitutkimuksissa. Lisäksi fokusoitua ultraääntä voidaan käyttää esim. kasvainten ja munuaiskivien tuhoamiseen. Ultraääntä synnytetään pietsosähköisillä kiteillä. Kiteeseen kytketään muuttuva jännite, joka saa kiteen värähtelemään, sillä pietsosähköisen kiteen läpimitta riippuu kiteen jännitteestä.Tyypillisesti pulsseja lähetetään n. 1ms:n välein, ja pulssien pituus on 1 µs luokkaa. Tyypillisesti kuvantamisessa käytetyn ultraäänen taajuus on välillä 1,0-‐
5,0MHz. Ultraäänen erotuskyky riippuu sen aallonpituudesta: aallonpituutta pienempiä kohteita ei voida erottaa erillisinä. Kun ultraääni etenee kudoksessa, se vaimenee. Lisäksi vaimenemista tapahtuu eri kudostyyppien rajapinnoissa, joissa intensiteetti jakaantuu heijastuneen ja läpimenneen aallon välille. Ultraäänen intensiteetti vaimenee kudoksessa eksponentiaalisesti: I = I! e!!! jossa I! on intensiteetti alussa ja I intensiteetti kun ääni on kulkenut kudoksessa matkan x. µμ on ultraäänen lineaarinen absorptiokerroin (vakio, joka riippuu kudostyypistä ja äänen taajuudesta). Kun ääniaalto tulee kohtisuoraan aineesta 1 aineeseen 2, sen intensiteetistä heijastuu prosenttiosuus: R=
Z! − Z!
Z! + Z!
!
jossa Z1 ja Z2 ovat kudosten akustiset impedanssit. Akustinen impedanssi on määritelty: Z = ρv, jossa ρ on väliaineen tiheys ja v ultraäänen etenemisnopeus väliaineessa. Tällöin rajapinnan läpäisee prosenttiosuus T=1-‐R. Jos impedanssit ovat hyvin lähellä toisiaan, heijastumista ei tapahdu juuri lainkaan. Jos impedanssien ero on suuri, lähes kaikki intensiteetti heijastuu. Lähettimen/anturin ja ihon välillä käytetään yleensä impedanssisovittimena geeliä, jonka akustinen impedanssi on lähellä ihon akustista impedanssia. Tällöin anturin ja ihonrajapinnassa ei tapahdu merkittävää vaimenemista. Yksinkertaisin UÄ-‐kuvausmetodi on ns. A-‐tekniikka, jossa ultraääni kulkee pitkin yhtä suoraa. Heijastusten aikaeroista voidaan sitten päätellä kudosrajapintojen sijainti tällä suoralla, ja heijastusten intensiteettieroista akustisten impedanssien ero rajapinnoilla. B-‐ja C-‐moodeissa ultraääntä lähetetään © Tuomas Hirvonen, Kandidaattikustannus oy Tämä materiaali on ainoastaan yksityiskäyttöön. Materiaalin kopiointi on ehdottomasti kielletty.
tasomaisesti (B) tai sektorimaisesti (C). Tällöin saadaan muodostettua kaksiulotteinen kuva kohteesta. M-‐
moodissa kohteesta otetaan ultraäänikuvaa jatkuvasti, jolloin saadaan liikkuva kuva. Ultraääntä voidaan käyttää apuna mm. näytteenotossa. Esim. neulabiosioissa neula ohjataan usein kohteeseen ultaraääniohjatusti (esim. eturauhasbiopsia peräsuolessa olevan ultraäänianturin avulla, ks. kuva). Oheisessa kuvassa on esitetty tilanne, jossa näytteenottoneula ohjataan kohteeseen ultraäänellä. Näytteenottoneulan ja ultraäänianturin suuntien välinen kulma on 45 astetta: sekä neula että anturi osoittavat suoraan kohti pistettä, josta kudosnäyte tulisi ottaa kuvan osoittamalla tavalla. Lääkärin käyttämä ultraäänilaite ilmoittaa käyttäjälle kudoksista palaavan signaalin viiveen ja kaiun suhteellisen voimakkuuden. Näytteenottopaikkaan suunnatulla ultraäänellä kestää palata laitteeseen 96µs ja neulan kärjestä palaavalla ultraäänellä 84µs. Ultraäänianturia ei liikutella tutkimuksessa, vaan vain käännellään paikallaan tarvittaessa. Lääkäri arvioi näytteenottopisteen, neulan ja ihon välissä olevien kudosten ominaisuuksiksi ultraäänen kannalta seuraavasti: etenemisnopeus kudoksessa c = 1450 m/s ja vaimenemiskerroin a = 1,3 dB/cm. Neulasta ultraääntä heijastuu takaisin 25 prosenttia ja näytteenottopisteen rajalta 7,0 prosenttia. Kysymys: Kuinka monta prosenttia näytteenottopisteen rajalta palaava signaali on intensiteetiltään neulan kärjestä palaavasta signaalista? © Tuomas Hirvonen, Kandidaattikustannus oy Tämä materiaali on ainoastaan yksityiskäyttöön. Materiaalin kopiointi on ehdottomasti kielletty.