Απεικόνιση με υπερήχους

πηγή

 Περίληψη : 
   Οι υπέρηχοι είναι ακουστικά κύματα συχνότητας άνω των 20 kHz. Οι υπέρηχοι που χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση έχουν συχνότητα από 1 έως 15 MHz περίπου. Όπως όλα τα κύματα, χαρακτηρίζονται από την συχνότητα, το μήκος κύματος, την περίοδο και την ταχύτητα διάδοσης. Η μέση ταχύτητα διάδοσης των υπερήχων στους μαλακούς ιστούς είναι 1540 m/sec. Η απεικόνιση με υπερήχους επιτυγχάνεται με την τεχνική παλμός – ηχώ. Παλμός υπερήχων που διαδίδεται μέσα σε ιστούς, όταν συναντήσει την επιφάνεια κάποιου οργάνου, στέλνει ηχώ πίσω στην συσκευή εκπομπής και ανίχνευσης των υπερήχων (ακουστική κεφαλή) από την οποία εκπέμφθηκε. Η ηχώ ανιχνεύεται από την ακουστική κεφαλή. Η υπερηχογραφική απεικόνιση βασίζεται στον υπολογισμό της χρονικής διάρκειας t της διαδρομής παλμού υπερήχων από την στιγμή της εκπομπής του μέχρι την ανίχνευση. Η δομή επί της οποίας ανακλάστηκε η δέσμη απεικονίζεται σε βάθος s = c (t/2) όπου c η ταχύτητα των υπερήχων στους μαλακούς ιστούς. 

1.     Αλληλεπιδράσεις Υπερήχων και Ύλης

     Οι υπέρηχοι εξασθενούν καθώς διαδίδονται μέσα στους ιστούς κυρίως λόγω των φαινομένων της (1) ανάκλασης, (2) σκέδασης και (3) απορρόφησης. Ο βαθμός της εξασθένισης των υπερήχων στους ιστούς καλείται συντελεστής εξασθένισης και δίδεται συνήθως σε dB/cm. Η σχέση εξασθένισης – συχνότητας είναι γραμμική στην περίπτωση της διάδοσης των υπερήχων στους μαλακούς ιστούς. Για τους μαλακούς ιστούς ο συντελεστής εξασθένισης είναι περίπου 0,5 έως 1 dB/cm για συχνότητα 1 MHz. Συνέπεια της εξασθένισης είναι ο περιορισμός του βάθους μέσα στο οποίο είναι δυνατόν να διαδοθούν οι υπέρηχοι και συνεπώς του ‘βάθους’ των εικόνων που λαμβάνονται. Για την περιγραφή του φαινομένου της ανάκλασης είναι αναγκαίος ο ορισμός μιας φυσικής παραμέτρου που ονομάζεται ακουστική εμπέδηση. Η ακουστική εμπέδηση Ζ εκφράζει την δυσκολία διέλευσης των ηχητικών κυμάτων μέσα στους ιστούς και ορίζεται ως το γινόμενο της πυκνότητας ρ του ιστού μέσα στον οποίο διαδίδονται οι υπέρηχοι επί την ταχύτητα c του ήχου μέσα στον ιστό: Z = ρc. Μονάδα της ακουστικής εμπέδησης είναι το rayl (1 rayl = 1 kg/m2/s). Ο αέρας και δομές ή όργανα που περιέχουν αέρα όπως οι πνεύμονες έχουν πολύ χαμηλή ακουστική εμπέδηση (Ζαέρα = 400 Rayls) σε σύγκριση με τους μαλακούς ιστούς (Ζμαλ.ιστών ~ 1,6 x 106 Rayls). Αντίθετα τα οστά έχουν υψηλή ακουστική εμπέδηση (Ζοστών ~ 7 x 106 Rayls ). Ανάκλαση συμβαίνει όταν κύμα υπερήχων προσπίπτει στην διαχωριστική επιφάνεια δύο ιστών διαφορετικής ακουστικής εμπέδησης. Εάν η πρόσπτωση του υπερηχητικού κύματος γίνει κάθετα στην διαχωριστική επιφάνεια, το ανακλώμενο κύμα ακολουθεί ίδια διεύθυνση αλλά αντίθετη φορά και κατευθύνεται προς την πηγή εκπομπής. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στην ακουστική εμπέδηση δύο ιστών τόσο εντονότερο είναι το φαινόμενο της ανάκλασης. Οι διαχωριστικές επιφάνειες αέρα / μαλακών ιστών ανακλούν το 99% περίπου της έντασης των υπερήχων. Επίσης σε επιφάνεια μαλακού ιστού / οστού ανακλάται το 70% περίπου της έντασης των υπερήχων. Η μερική ανάκλαση μετά από κάθετη πρόσπτωση υπερήχων σε διαχωριστική επιφάνεια είναι το φαινόμενο στο οποίο βασίζεται η υπερηχοτομογραφική απεικόνιση του περιγράμματος των οργάνων του σώματος. Η σκέδαση είναι φαινόμενο που λαμβάνει χώρα όταν τα κύματα υπερήχων έχουν μήκος κύματος συγκρίσιμο ή μικρότερο από τις διαστάσεις των επιφανειών πάνω στις οποίες προσπίπτουν. Στην σκέδαση τα προσπίπτοντα ηχητικά κύματα αλλάζουν προσανατολισμό ακολουθώντας τυχαίες διαστάσεις. Μικρό ποσοστό της δέσμης οπισθοσκεδάζεται και κατευθύνεται στην ακουστική κεφαλή από την οποία ανιχνεύεται. Μικρές ανομοιογένειες που παρατηρούνται στο παρέγχυμα διαφόρων οργάνων αποτελούν κέντρα σκέδασης της δέσμης. Η σκέδαση είναι το φαινόμενο που συμβάλλει στην απεικόνιση του παρεγχύματος των οργάνων του σώματος. Κατά την διάδοση των υπερήχων μέσα στους ιστούς ένα μέρος της ακουστικής ενέργειας απορροφάται από τους ιστούς και μετατρέπεται σε θερμότητα. Το φαινόμενο της απορρόφησης δεν συμβάλλει στην απεικόνιση. 

2. Παραγωγή και Ανίχνευση Υπερήχων

     Η παραγωγή και η ανίχνευση των υπερήχων βασίζεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν εφαρμόζεται δύναμη κάθετη στις απέναντι πλευρές κρυστάλλου με πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες, αναπτύσσεται ηλεκτρικό δυναμικό. Το δυναμικό αυτό είναι ευθέως ανάλογο της εφαρμοζόμενης πίεσης. Στην ιδιότητα αυτή βασίζεται η ανίχνευση των υπερήχων. Κύμα υπερήχων που κατευθύνεται στον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο προσκρούει στην επιφάνειά του με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ηλεκτρικού δυναμικού εξ’ αιτίας της εφαρμοζόμενης πίεσης. Αντίστροφα, όταν στις πλευρές κρυστάλλου με πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες εφαρμόζεται ηλεκτρικό δυναμικό, ο κρύσταλλος εκτείνεται ή συμπιέζεται ανάλογα με την πολικότητα του ηλεκτρικού ρεύματος . Στην ιδιότητα αυτή βασίζεται η ανίχνευση των υπερήχων. Εφαρμογή εναλλασσόμενης τάσης έχει ως αποτέλεσμα την δόνηση δηλαδή την συνεχή αυξομείωση των διαστάσεων του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου. Οι δονήσεις αυτές μεταδίδονται υπό μορφή αυξομειώσεων της ακουστικής πίεσης και παράγουν ήχους. Ένας πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική και αντιστρόφως. Αυτός είναι ο λόγος που η συσκευή εκπομπής και ανίχνευσης υπερήχων σε ένα μηχάνημα υπερήχων καλείται μετατροπέας ή μεταλλάκτης ενέργειας. Φυσικοί κρύσταλλοι όπως ο χαλαζίας (quartz) διαθέτουν πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες. Στα σύγχρονα συστήματα υπερήχων χρησιμοποιούνται τεχνητοί κρύσταλλοι από κράματα διαφόρων υλικών όπως των μολύβδου – ζιρκονίου – τιτανίου (ΡΖΤ). ‘Στοιχείο’ ενός μεταλλάκτη είναι ο πιεζοηλεκτρικός του κρύσταλλος. Στους μεταλλάκτες ενέργειας ενός στοιχείου ο κρύσταλλος έχει κυλινδρικό σχήμα διαμέτρου 6-19 χιλιοστών και πάχος 0.2-2 χιλιοστά. Κάθε πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος έχει μια συχνότητα συντονισμού στην οποία εμφανίζει την μεγαλύτερη απόδοση στην μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε ακουστική και αντίστροφα. Το πάχος του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου καθορίζει την συχνότητα συντονισμού fo του κρυστάλλου. Ισχύει η σχέση fo = c/(2d) όπου c η ταχύτητα του ήχου και d το πάχος του κρυστάλλου. Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι που εκπέμπουν παλμούς υπερήχων διεγείρονται από βραχείς ηλεκτρικούς παλμούς. Αποτέλεσμα αυτής της διέγερσης είναι η ταλάντωση του κρυστάλλου και η εκπομπή παλμού υπερήχων. Πίσω από τον κρύσταλλο υπάρχει απορροφητικό υλικό για την μείωση του χρόνου δόνησης του κρυστάλλου κατά την εκπομπή. Έτσι μειώνεται η διάρκεια και το μήκος του παλμού. Η μείωση του μήκους του παλμού έχει θετική επίπτωση στην ποιότητα της εικόνας. Το υπερηχητικό πεδίο είναι δυνατόν να διακριθεί στο εγγύς και το απόμακρο. Το εγγύς πεδίο ή ζώνη Fresnel έχει σχήμα κυλίνδρου διαμέτρου ίσης με τη διάμετρο του κρυστάλλου. Το εγγύς πεδίο εκτείνεται από την επιφάνεια εκπομπής του μεταλλάκτη μέχρι απόσταση x που εξαρτάται από την ακτίνα του κρυστάλλου r και το μήκος κύματος της δέσμης των υπερήχων: x = r2/λ. Στο εγγύς πεδίο η ένταση του υπερηχητικού πεδίου παρουσιάζει σημαντικές μεταβολές από σημείο σε σημείο. Το απόμακρο πεδίο ή ζώνη Fraunhofer έχει κωνικό σχήμα. Η περιοχή παρουσιάζει απόκλιση κατά γωνία θ που εξαρτάται από την ακτίνα r του μεταλλάκτη και το μήκος κύματος των υπερήχων λ: ημθ = 0,61 λ/r. Η διάμετρος της δέσμης των υπερήχων είναι σημαντική παράμετρος γιατί η μείωση του πλάτους του παλμού έχει θετική επίπτωση στην ποιότητα της εικόνας. Για τον έλεγχο της διαμέτρου της δέσμης είναι απαραίτητη η εφαρμογή τεχνικών εστίασης. 

πηγή