Medizinischer Ultraschall
Was ist Ultraschall?
Ultraschall unterscheidet sich nicht wesentlich von den Schallwellen, mit denen wir vertraut sind, außer dass wir seinen "Klang" nicht hören können. Wenn die Frequenz von Schallwellen mehr als 20 kHz erreicht, was außerhalb des Bereichs liegt, den normale Menschen wahrnehmen können, wird diese Art von Schallwellen als Ultraschall bezeichnet. Wenn die Frequenz einer Schallwelle niedriger ist als der Bereich, den Menschen hören können, handelt es sich um eine Infraschallwelle. In anderen physikalischen Eigenschaften sind Ultraschallwellen also im Grunde die gleichen wie Schallwellen. Ultraschall / Schallwelle ist eine Art mechanische Welle, Longitudinalwelle und Druckwelle. Es wird durch die Schwingung von Partikeln verbreitet, und die Schwingung von Partikeln erzeugt weiterhin relativ hohe und niedrige Druckbereiche (wie in der Abbildung unten gezeigt), und seine Schwingungsrichtung ist konsistent mit der Ausbreitungsrichtung, so dass die Ausbreitung von Ultraschallwellen ein Medium erfordert. Unter verschiedenen Medien ist die Geschwindigkeit von Ultraschallwellen unterschiedlich. Zum Beispiel beträgt die Geschwindigkeit in der Luft etwa 340 Meter pro Sekunde, im menschlichen Körper etwa 1540 Meter pro Sekunde und die Geschwindigkeit im Vakuum 0. Ultraschall hat ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere im medizinischen Bereich. Als nicht-radioaktive Methode kann Ultraschall Ärzten helfen, eine bessere Diagnose von Patienten zu stellen. Es wird später im Detail erweitert.
Wie man Ultraschall erzeugt
Die Erzeugung von Ultraschallwellen und die Erzeugung von Schallwellen basieren auf dem gleichen Prinzip. Für Schallwellen verwenden wir normalerweise das Telefon als Beispiel. Beim Sprechen wird Schall (mechanische Energie) in elektrische Signale (elektrische Energie) umgewandelt, die zum anderen Ende wandern, und beim Hören werden die elektrischen Signale dann wieder in Schall umgewandelt. Dies ist genau das gleiche wie der Prozess der Erzeugung und des Empfangs von Ultraschallwellen, und ihr Prinzip ist der piezoelektrische Effekt. Der piezoelektrische Effekt besteht darin, dass bestimmte Materialien, wie Quarz, einen bestimmten Grad an Spannung auf seiner Oberfläche erzeugen, wenn er mechanischem Druck ausgesetzt wird; Und wenn wir eine Spannung an ihre Oberfläche anlegen, erzeugt sie ein gewisses Maß an mechanischer Verformung. Dann können wir durch präzise elektrische Signalsteuerung Ultraschallwellen erzeugen und empfangen. Derzeit ist PZT das am häufigsten verwendete Material in Ultraschallinstrumenten. Im normalen Betrieb des Instruments treten Ultraschallwellen normalerweise in Form von Impulsen und nicht in Form von kontinuierlichen Wellen auf, so dass das PZT im Allgemeinen das elektrische Impulssignal empfängt, eine Ultraschallwelle erzeugt und dann mit der Überwachung beginnt, und der Empfang kehrt nacheinander zurück. Die Ultraschallsignale werden zur weiteren Datenverarbeitung in entsprechende elektrische Signale umgewandelt, und der Zyklus wird wiederholt, bis der Scan abgeschlossen ist.
Ausbreitung von Ultraschall im menschlichen Körper
Wie bereits erwähnt, beträgt die Geschwindigkeit von Ultraschallwellen im menschlichen Körper etwa 1540 Meter pro Sekunde, was eigentlich ein Durchschnittswert ist und auch die Kalibriergeschwindigkeit ist, die in den meisten Fällen von Ultraschallinstrumenten verwendet wird. Wie später erwähnt wird, beruht die Ultraschallbildgebung auf der Abschätzung der Ultraschallgeschwindigkeit, und ihre Genauigkeit wird sich direkt auf die Bildqualität auswirken. Dann ist die Übertragungsgeschwindigkeit für verschiedene Organe und Gewebe unterschiedlich. Zum Beispiel sind es etwa 1510 Meter pro Sekunde im Gehirn, etwa 1560 Meter pro Sekunde in Leber und Niere, 1570 Meter pro Sekunde in den Muskeln usw. Diese unterscheiden sich nicht sehr vom Durchschnitt. Die Ultraschallgeschwindigkeit in Fett beträgt jedoch nur etwa 1440 Meter pro Sekunde. Dieser Geschwindigkeitsunterschied führt dazu, dass die Qualität des Ultraschallbildes bei adipösen Patienten signifikant abnimmt, so dass das Gerät in diesem Fall die Geschwindigkeit neu kalibriert oder dynamisch einstellt.
Da Ultraschall eine Art Welle ist, wird er auch wellenbezogene physikalische Phänomene mit verschiedenen Geweben und Organen während der Ausbreitung des menschlichen Körpers erzeugen. Diese Phänomene sind die Grundlage für die Bildgebung mit Ultraschall. Hauptsächlich Transmission, Reflexion, Streuung und Brechung. Wenn das PZT Ultraschallwellen aussendet und auf menschliche Organe / Gewebe trifft, kann ein Teil der Wellen tief in den menschlichen Körper eindringen und sich entlang der ursprünglichen Richtung, die Übertragung ist, weiter ausbreiten und die Energie der Wellen wird dabei teilweise absorbiert; der verbleibende Teil der Wellen Kehrt in die entgegengesetzte Richtung zurück und wird vom PZT empfangen, dieser Teil ist die reflektierte Welle, und das Signal dieser reflektierten Wellen ist das Hauptrohmaterial für die Bildgebung; Die Energie der gestreuten Wellen ist normalerweise sehr klein, und die gebrochenen Wellen stören die Bildgebung. Grundsätzlich bestimmt die Fähigkeit von Ultraschall zu übertragen und die Fähigkeit von Organen / Geweben, Ultraschall zu absorbieren, wie tief der Ultraschall "sehen" kann. Denn je niedriger die Frequenz, desto stärker ist die Ultraschallpenetration, so dass, wenn Ärzte tiefer sehen müssen, oft ein Detektor mit niedrigerer Frequenz (Wandler) verwendet wird, aber die niedrige Frequenz führt normalerweise dazu, dass die Qualität des Bildes verschlechtert wird. Dies ist ein Kompromiss, der eingegangen werden muss und später ausführlich diskutiert wird, wenn wir über Detektoren sprechen.
Einführung in die medizinische Ultraschallbildgebung
Mit der Vertiefung der Forschung und des medizinischen Bedarfs haben sich Ultraschallbilder von nur 1D zu 3D / 4D verändert. Ultraschallgeräte können jetzt eine Vielzahl von Bildgebungsmodi unterstützen, um die Bedürfnisse verschiedener Patienten und Ärzte zu erfüllen. Im Folgenden werden mehrere gängige Bildgebungsmodi vorgestellt.
A-Modus: Es ist der sogenannte 1D, der einfachste Modus. Der Detektor sendet eine Welle von Ultraschallwellen in eine bestimmte Richtung aus, und das Instrument stellt die Gleichung zwischen dem reflektierten Signal und der Tiefe dar, und das Bild ähnelt dem Signal, das wir normalerweise auf einem Oszilloskop sehen. Der A-Modus war der Hauptmodus der frühen Ultraschallinstrumente und wird jetzt weniger verwendet, aber er kann auch verwendet werden, um hochenergetische Wellen zur Behandlung von Tumoren während der Operation zu leiten.
B-Modus: B ist hier Helligkeit. In diesem Modus scannt der Detektor einen Bereich und erzeugt ein Graustufen-2D-Bild. Dies ist einer der am häufigsten verwendeten Modi. Je heller die Farbe (weiß), desto stärker das reflektierte Signal, im Allgemeinen die Oberfläche des Organs / Gewebes, und je dunkler die Farbe (schwarz), desto schwächer ist das reflektierte Signal.
M-Modus: M ist hier Bewegung. Im Bewegungsmodus führt das Instrument schnelle B-Modus-Scans und Bildgebung durch, so dass der Arzt die Bewegung des Organs sehen kann, was besonders für die Herzdiagnose wichtig ist.
Doppler-Modus: Doppler-Modus, benannt nach der Verwendung des Doppler-Phänomens zur Messung der Geschwindigkeit bewegter Objekte. Im Doppler-Modus können Ärzte den Blutfluss und die Blutrichtung überwachen, um mögliche Läsionen in Blutgefäßen zu identifizieren.
Farbdoppler: Dieser Modus kann einfach als B-Modus/M-Modus + Doppler verstanden werden, dh auf der Grundlage von 2D-Graustufenbildern werden der Dopplermodus und die Farbkalibrierung verwendet, um die Position, den Blutfluss, die Durchflussrate und die Richtung der Blutgefäße anzuzeigen.
3D / 4D: Der 3D-Modus ist ein 3D-Bild, das Organe / Gewebe darstellen kann. Was 4D betrifft, so handelt es sich um ein Echtzeit-3D-Bild. Während viele fortschrittliche Ultraschallinstrumente 3D- und 4D-Modi einsetzen, werden sie im Allgemeinen nicht viel verwendet.
