ULTRASONİK SİSTEMLER. Ultrason:

Transkript

1 ULTRASONİK SİSTEMLER 1970` li yıllardan sonra görüntüleme yoluyla teşhis amaçlı kullanılmaya başlanmıştır. Bilgisayar yazılım, donanım, elektronik ve elektromekanik teknolojideki gelişmelere paralel olarak ultrasonik cihazlar da hızla gelişmiştir. Vücudun görüntülenmesi ilk defa 1885 William Roentgen` in X ışınlarını keşfetmesiyle başlamıştır. Görüntülemede birçok yöntem kullanılmıştır. Damar içine yerleştirilen kateder, ağız yoluyla alınan boya maddeleri, radyoaktif madde enjekte edilmesi, ultrason v.s bunlardan birkaçıdır. 1970` li yıllarda Bilgisayarlı Tomografi (BT) ile başlayan gelişmeler günümüzde Nükleer Magnetik Rezonans Görüntüleme (nmrg) teknikleri ile üst seviyelere ulaşmıştır. Ultrason: İnsanın işitebileceği ses frekansı üzerindeki akustik dalgalara ultrasonik dalgalar denir. Genellikle 20 khz- 100 khz arasında tanımlanmış olmasına rağmen tıptaki kullanımında üst sınır 30 MHz` e kadar çıkmaktadır. Teşhis amacıyla 2-10 MHz arası frekanslar kullanılmaktadır. Radyo frekans dalgalarıyla aynı frekans bandında olmasına rağmen ultrasonik dalgalar yansımalı- darbeli yapıdadır. Elektromagnetik dalga bir antenden akım (örneğin 5 MHz` lik bir işaret) geçirilirse oluşur; ultrasonik dalga ise dönüştürücü (ultrason) ile oluşturulmaktadır. Üretilen ultrasonik dalgalar incelenmek istenen yapıya (vücuda, organa) gönderilir, yansıyan dalgalar algılanarak işlendikten sonra ekranda görüntülenir. Böylece vücudun iç yapısıyla ilgili her farklı ortamdan, yapıdan farklı yansımalar olacağı için elde edilen görüntü bilgileri ayırt edilebilir. Bir ses dalgası genlik (db), periyot (sn) ve dalga boyu (m) olarak şekilde gösterilmiştir.

2 c = λ. f c = λ T c: Dalganın yayılma hızı f: Frekans λ= Dalga boyu Ses dalgalarının yayılma hızını, ortamın cinsi, yoğunluğu, ısısı ve başka faktörler belirler. Ortam ne kadar yoğun ise yayılma hızı o kadar artar. Örneğin; Hava; yoğunluğu 0,001 g/cm 3, Sesin Havada Yayılma hızı 331 m/s Yağ; yoğunluğu 0,93 g/cm 3, Sesin Yağ dokusunda Yayılma hızı 1450 m/s Su; yoğunluğu 1.0 g/cm 3, Kemik ;yoğunluğu 1,85 g/cm 3, Sesin Suda Yayılma hızı 1540 m/s Sesin Kemik içersinde Yayılma hızı 4080 m/s Dokularda sesin yayılma hızı, iki önemli parametreye bağlıdır, K ve ρ ; c = K ρ veya c = 1 ρk K: Sertlik (Elastik sabiti) k: Sıkıştırılabilirlik g: Ortamın yoğunluğu Düzlemsel dalganın hareket denklemi: ξ = f! x ct + f! x + ct d! ξ dx! = f"! x ct + f"! x + ct!!! =!!! c! f "! x ct + f"! x + ct =>!!! =!!! c!!!!!!! Hareket Denklemi:!!!!!! = c!! ξ

3 Kaynak sinüsoidal ise; ξ = ξ! sin[!!! x ct + θ], k =!!! ve φ = 180 ise ξ = ξ! exp j[wt kx] yazılabilir. ξ = ξ! sin[wt kx] α = 0 zayıflamasız ξ = ξ! exp( αx) exp j(wt kx) ortamda zayıflama varsa Yansıma, kırılma, saçılma: Optikteki yansıma ve kırılmalar akustikte de geçerlidir. Yoğunlukları farklı bir ortama giren ultrason dalgaların kırılarak ikinci bir ortama geçmeleri snell yasasına göre gerçekleşir. sin θ! sin θ! = V! V! c! < c! ise c! > c! ise θ! : Gelme açısı θ! : Kırılma açısı θ! < θ! ve ( ρ1 < ρ2 ) θ! > θ! ve ( ρ1 > ρ2 ) c! : Birinci ortamdaki ultrason dalganın yayılma hızı c! : İkinci ortamdaki ultrason dalganın yayılma hızı Az yoğundan çok yoğuna geçme Çok yoğundan az yoğuna geçme

4 Ultrason dalga belirli bir açıda ikinci yüzeye gelirse tam yansıma olur ve ikinci ortama hiç bir dalga geçemez, bu açıya kritik açı denir ve θ r ile gösterilir. c! (su) = 1540 m/s, θ! = 90 alınarak kemik için c! (kemik) = 4080 m/s θ! = 22 ( c! < c! ) Ultrason dalgaların yansıması ve kırılması düzgün ve büyük yüzeylerde oluşur. Dokuların içinde homojen olmayan ve farklı yoğunlukta kitleler mevcuttur. Ultrason dalga bu tür kitlelere çarptığında saçılmaya uğrar ve yön değiştirir. A, B, C dönüştürücü olmak üzere tam yansımada tam yansıma olur saçılma olmaz, yansımada kısmen yansıma ve kısmen saçılma olur, saçılmada çoğu yansır azı geçer. Tam yansıma için θ! > θ!. Teşhis amacıyla kullanılan ultrasonografide yayılan dalganın dalga boyuna göre dört tip saçılma olur. 1. İnhomojenite, dalga boyuna oranla çok küçükse oluşur ve Rayleigh saçılması denir. Örneğin 3 Mhz çalışan bir ultrason probunun (vücutta sesin yayılma hızı 1540 m/s) ürettiği ultrason dalga boyu 0,5 mm dir. Kandaki hücrelerin (alyuvar, akyuvar) boyutlarının çok daha küçük olduğu için ultrasonun kılcal damarlarda Rayleigh saçılmasına uğradığı söylenebilir (Gökyüzü maviliği; beyaz ışığın atmosferde toz parçacıklarına çarparak saçılması, daha çok yüksek frekansa sahip mavi ışığın saçılmaya uğraması).

5 2. Ultrasonun dalga boyu, saçılmaya yol açan parçacığın boyutlarına eşit olması durumunda oluşur ve buna orta parçacık saçılması (intermediate particle scattering) denir. Bu tip saçılmaya 0.5 mm lik ultrason dalgasının karaciğer lobülünden saçılması örnek gösterilebilir. 3. Saçılmaya yol açan parçacığın boyutlarının ultrason dalga boyundan çok büyük olması durumunda oluşur ve bu saçılmaya specular saçılma denir. Büyük arter ve venlerde çarpan ultrasonun saçılması örnek gösterilebilir (bu saçılma frekansa bağlı değildir). 4. Gelen dalganın geniş ve engebeli bir yüzeye çarpması veya dalga boyu düzensizlikleri olması durumunda oluşur ve buna diffense saçılması denir. Ultrason demeti dokulardan geçerken gücünde azalma oluşur. Ultrason demeti dokulardan geçerken gücünde azalma oluşur. Ultrason dalgalarının yoğunluğunun azalmasına enerjisinin bir kısmını kaybetmesine yol açan zayıflamaya üç temel etken yol açar. Birincisi soğurmadır (absorption). Dokudan geçen ultrasonun enerjisinin bir kısmı doku tarafından soğurulur ve soğurulan enerji ısı olarak ortaya çıkar. İkinci etken saçılmadır. Saçılma sonucunda birim alandan geçen enerji miktarı azalır. Üçüncü etken ultrason demetinin belirli bir mesafeden sonra genişleyerek yayılmasıdır. Enerji yoğunluğu kesit alanla ters orantılıdır. Demet genişliğinde kesit alan azalacağından dokudan geçen enerji yoğunluğu azalır. Ultrason demetinin zayıflaması, dokunun tipi, kalınlığı ve dalganın frekansına bağlıdır. Doku kalınlığı ve frekans arttıkça zayıflama da artar. Düşük frekanstaki ultrason dalgaları daha derindeki dokulara kadar nüfuz eder. Zayıflama (işaret seviyesi) ρ(db)=10 log (!!!! ) Dalga basıncının genliği cinsinden ρ(db)= 20 log (!!!! ) P g : Gelen dalga gücü P i : İstenen dalga gücü A g : Referans dalga basınç genliği A i : İstenen dalga basınç genliği

6 Ultrason zayıflama katasayısı: db/cm ve MHz cinsinden ifade edilir. Su için; 0,0002(dB/cm) => f 2 (MHz) (f=1mhz) Kan için; 0,18 (db/cm) => f 1,2 (f 1MHz) Kemik için; 15(dB/cm) => f 2 (f=2mhz) Hava için; 12 (db/cm) => f 2 (f=1mhz) Akustik Empedans: Akustik empedans: Ekonun oluşmasıyla doğrudan ilgili ve ortamın özelliğini belirleyen bir parametredir. z 0 =ρ.c şeklinde ifade edilir. z: Rayl cinsinden akustik empedans (veya karakteristik empedans) ρ: [kg/m 3 ] yoğunluk c: m/s ultrason dalganın yayılma hızı c =!! ; z = ρ!! = ρk K: sertlik (elastik sabiti) Sertliği yüksek dokuların akustik empedansları da büyük ve ultrason dalganın basıncındaki değişimlere direnç artar. Yansıma Katsayısı: Farklı iki ortamın empedansları farklı olacağı için maksimum güç aktarımında empedansların yoğunluğunun sağlanması gerekir. Empedans farklılıkları yansımaya neden olmaktadır. P r : Yansıyan dalganın gücü η (verim) = P! P! = Z! Z! Z! + Z! P 1 : Gelen dalganın gücü Z 1 : ρ 1. c 1 : Birinci ortamın akustik empedansı Z 2 : ρ 2. c 2 : İkinci ortamın akustik empedansı Genlikler cinsinden ifade edilirse; R = A! = (Z! Z! )! A! (Z! + Z! )! R: Yansıma katsayısı Z 2 =Z 1 => R=0, Z 1 << Z 2 => R 1,

7 Bazı maddelerin akustik empedansları (Raylx10); Hava 0,004 Yağ 1,68 Kan 0,05 Aliminyum 18 PZT5 29,3 Pirinç 38 Aşağıdaki tabloda farklı iki madde arasındaki güç oranı ve yansıma katsayıları verilmiştir. Güç Oranı Yansıma Katsayısı Yağ/Kas 0,10 1,08 Kas/Kan 0,03 0,07 Yumuşak Doku/Su 0,05 0,23 Yumuşak Doku/Hava 0,99 99,90 Yumuşak Doku/PZT5 0,90 81,02 PZT5/Hava 0,99 99,99 Yukarıdaki tablodan görüldüğü gibi PZT5 kristali ile havanın birleştiği yüzeyden ultrason dalganın hemen hemen tamamı (%99,99) geri yansımakta ve dalga dokulara geçememektedir. Bu nedenle transdüser ile deri düzeyi arasına birleştirici jel veya mineral yağı sürülür (aradaki hava ortadan kaldırılır); böylece ultrason dalganın daha derindeki dokulara nüfuz etmesi sağlanmış olur. Yağ/Kas birleşiminde ise yansıma daha azdır ve bu ekoları algılamak için de hassas transdüserlere ihtiyaç vardır. Ultrasonografi Sistemleri: 1. Göndermeç 2. Transdüser 3. Almaç 4. Sinyal İşleyici 5. Görüntüleme 6. Kayıt

8 1. Göndermeç: Yüksek genlikli, kısa süreli vurumları (darbeleri) üretir ve uygun vurum tekrarlama hızıyla (pulse repetıtıon frequency PRF) gönderir. Vurumların genlikleri transdüserdeki kristalleri titreştirebilecek seviyede olmalıdır. Vurum tekrarlama frekansı uygun seçilmeli ve vurum süreleri kısa olmalıdır. 2. Dönüştürgeç (Transducer, Prob) Ultrasonun hasta ile direkt temas eden kısmıdır. Ultrason dalgaların gönderilmesi ve algılanması transdüser yardımıyla olur, kristal enine, boyuna veya radyal olarak çevresine doğru genişler yada daralır; bu haraketler sonucu ultrasonik dalga oluşur. Günümüzde probların büyük bir bölümü PZT (Kurşun Zirkonat Titanate) kristal ve polarize edilmiş seramik kristalden oluşur. İstenilen frekansta ultrason üretmek için uygun kristal kalınlığı hesaplanır. f=3.5 MHz prob için d =!!! c: PZT için 3780 m/s d:0,54mm Darbe- eko prensibine göre çalışan ultrason cihazlarda prob zamanı %0,1 de dalga gönderir geri kalan %99,99 ise yansıyan dalgaları alır. Sinyaller işlenerek görüntü oluşumu için hazır hale getirilir. Odaklanmamış bir probdan çıkan ultrason dalgaları belirdi mesafeden sonra genişleyerek dağılır (Yakın alan, Uzak alan).

9 Ultrason probları odaklanmış veya odaklanmamış olabilir; odaklanmış problarda odak mesafesi içindeki nesneler net olarak görüntülenebilir. w: min. demet genişliği 12 db: dalga genliğinin %25 düştüğü bölge sınırı Ultrason probların odaklanması iki yöntemle yapılabilir. Birincisi akustik lensler kullanılarak yapılan mekanik odaklanma, ikincisi Elektronik odaklanmadır: Elektronik odaklamada yedi veya sekiz kristalden bir grup oluşturulur. Her bir kristalin tetiklenmesi belirli bir gecikme ve zamanlama ile odak uzaklığı ve demet yönü değiştirilebilir. A: Yedi elemanın aynı anda tetiklenmesi (Odaklama yok) B: Ortadaki elemanlar küçük bir zaman gecikmesiyle ateşlenmiş demet odaklanır C: Zaman gecikmesi ayarlanarak demet yönlendirilmiş

10 Ayrıca grup içindeki eleman sayısı değiştirilerek ve tetikleme zamanı ayarlanarak ultrason demet sayısı artırılabilir. Birçok değişik yapı ve özellikle prob bulunmaktadır. Probun çözünürlüğü, iki küçük nesneyi ayırt edebilme gücünü gösterir. 1. Axial Çözünürlük: Ultrason demetiyle aynı doğrultudaki iki farklı doku grubunun ayırt edebilme yeteneğidir. Axial çözünürlük gönderilen vurum süresinin yarısı kadar olabilir. Ultrasonda bir tek vurumda birkaç darbe olduğundan uygulamada 3,5 MHz için yaklaşık 1 mm dir. 2. Lateral Çözünürlük: Ultrason demetine dik düzlemdeki iki noktanın ayırt edilebilmesi yeteneğidir. Hüzme genişliği azaldıkça lateral çözünürlük artar. Lateral çözünürlük odak uzaklığı mesafesinde en iyidir. > Frekans arttıkça çözünürlük artar, ancak dalgaların daha derin dokulara nüfuz etmesi azalmaktadır. Derindeki dokuları incelemek için prob yüzeyini genişletmek ve frekansı düşürmek gerekmektedir. 3. Almaç: Gönderilen ultrason dalgaların dokudan yansıyarak gelen kısmını algılayarak yükseltme işlemlerini yapar. Alma işlemi sırasında probdaki kristallere gelerek çarpan eko sinyalleri kristali sıkıştırır veya gevşetir böylece göndermenin tersine olarak kristalin uçlarında bir gerilim oluşur ve bu gerilimin yükseltilmesi almaçta yapılır. Özel almaç ile dokulardan gelen zayıf işaretler çok, yüzeyden kuvvetli yansıyan işaretler daha az yükseltilir. Böylece zaman- kazanç dengelemesi (Time Gain Compensation) ile istenilen derinlikteki organlar istenilen netlikte gözlenebilir. TGC ayarı bazı kaynaklarda (STC: Sensitivity Time Control) olarak da ifade edilir. Almaçta ayrıca dinamik aralık ayarı da yapılır. Dinamik aralik ekranda görüntülenecek en yüksek ve en düşük genlikli sinyaller arasındaki mesafedir. Dinamik aralık artırılırsa görüntü yumuşaklaşır ve eko seviyeleri ayırt edilemez; azaltılırsa eko seviyeleri ekranda abartılı bir şekilde görünür. 4. Sinyal İşleyici: Probdan gelen bilgiler işlenir ve görüntü haline dönüştürülür. Ön işleme, son işlemler, ADC/DAC ( Analog dan Dijital e ve Dijital den Analog a dönüştürme) işlemleri yapılır; görüntü

11 matrisleri oluşturulur ve saklanır, görüntüler renkli veya gri seviye tonları (8 bit=256 seviye) biçimine sokulur. İnsan gözünde normal 20 gri seviyesi ayırt edilebilir. 256 gri seviye sıkıştırma eğrileri (doğrusal, logaritmik) yardımıyla 16 gri seviyesine dönüştürülebilir. 5. Görüntüleme Ünitesi: Görüntülemeye hazır hale gelen bilgilerin bir CRT (Cathode Ray Tube) ekranı yardımıyla görüntülendiği birimdir. Ekranda görüntü dondurmak, filtrelemek, iki görüntüyü yanyana izlemek v.s yapılabilir. 6. Kayıt Ünitesi: Görüntünün fotoğrafı çekilebilir; röntgen filmi üzerine düşürülerek saklanır. Strip Chart Recorder yardımıyla (Thermal Recorder) görüntü kağıt üzerine aktarılabilir. Ultrasonografide Görüntüleme Modları: Üç tip görüntüleme modu bulunmaktadır. 1. A Mod (Amplitude, Genlik) 2. B Mod (Brightness, Parlaklık) 3. M Mod (Motion, Hareket) A Mod: Farklı yoğunluktaki doku katmanlarından yansıyarak gelen eko sinyallerin şiddetleri derinliğe bağlı olarak gösterilir. Yatay eksen(x); derinlik, dikey eksen (Y) eko şiddetini gösterir. Bu mod pek kullanılmaz. B Mod: En çok kullanılan görüntüleme modudur. Parlaklık esasına dayanır. M Mod: Hareketli organların hareketlerinin incelenmesinde kullanılır. Yatay eksen zaman, dikey eksen derinlik bilgisini verir (Kalp kapakçıklarının izlenmesi örnek verilebilir).

12 Ekokardiyografi ve Renkli Akış Görüntüleme Kalp, kalp kapakçıkları, kan damarları, kan akışı gibi hareketli ortamları renkli olarak incelemek amacıyla kullanılan ve genellikle doppler prensibine göre çalışan cihazlara doppler ekokardiyografi cihaız denir. Renkli ultrason veya renkli ekokardiyografi arasında pek büyük fark yoktur, ancak ekokardiyografi cihazları genellikle kardiyolojik maksatlar için geliştirilmiş probları, donanım ve yazılımı kullanırlar. Doppler Etkisi: Hareketli cisme gönderilen ses dalgalarının frekansı, cismin hızına, yönüne ve probun konumuna bağlıdır. Hareketli cisme çarparak geri yansıyan dalgaların frekansında f =!!!!!"#!! kadarlık frekans kayması oluşur. ( f: Doppler frekans kayması) f = 2f!V cos Q C f! : gönderilen dalga frekansı C:dalganın 1.Geçiş zaman yayılma hızı farkı prensibi V kan akış hızı C! T V = 2D cos Q T: farkı zaman Damar yolunun görüntülenmesi: Önce A verici B alıcı sonra A alıcı B verici olarak çalışır

13 Ultrasonik Doppler Akış Ölçme: Sürekli Dalga Doppler (CW: Continuous Wave): Sabit frekanslı bir ultrason dalgası bir kristalden sürekli olarak gönderilir; komşu (başka) kristalden ise herhangi bir derinlikteki hareketli ortamdan yansıyarak gelen ve frekansı f kadar sapmış dönen dalga alınır. Gönderme ve alma sürekli olduğu için çok yüksek akış hızları belirlenebilir. Darbeli Dalga Doppler (PW: Pulsed Wave): Probdan bir ultrason darbe dizisi gönderilir ve belli bir gecikme ile yansıyan sinyaller alınır. PW sistemlerinde sadece önden belirlenmiş belli bir derinlikten gelen f! ler dinlenir ve derinlikten sinyal alınır alınmaz diğer darbe dizisi gönderilir. Bu darbe dizisini tekrarlama frekansı PRF (Pulse Repetition Frequency) ile ifade edilir. Ultrasonik Dalgaların Biyolojik Etkileri: Güç limitleri (5-50 mw/cm) arasındaki ultrasonun bugüne kadar zararlı etkisine rastlanmamıştır (max 100 mw/cm Amerika standartı). Ancak bu etki dalganın frekansı, uygulama zamanı, yoğunluğu ve vurumun süresine bağlıdır. Örneğin omurilik 10 msn süreli ve 100 msn periyotlu 50 mw/cm şiddetinde bir etkiye maruz bırakılırsa doku 120 senede tahrip olmaktadır. Başlıca etkileri: I. Oyma etkisi II. III. IV. Isı etkisi U = αi U: ısı enerjisi w I= Demet yoğunluğu W/cm α: soğurma katsayısı/cm Kesme etkisi Hücre içi hareketlenmeler

14 Ultrasonografinin Üstünlükleri: I. Radyasyon tehlikesi yoktur II. III. IV. Non- invasive (vücuda girilmeden ve acı, rahatsızlık vermeyen) bir tekniktir Daha ucuz, taşınabilir ve özel şartlarda oda gereksinimi yoktur Görüntülenecek organların hareketli olması sakınca oluşturmaz (CT (Bilgisayarli tomografi) ve NMR (Nukleer Magnetik Rezonans Görüntüleme) de sakıncalıdır) Sakıncaları: I. Kemik, hava kabarcığı, gaz gibi oluşumlar ultrasonik dalgaları geçirmediğinden, akciğerler, barsaklar ultrasonik yöntemle incelenemezler. Bu nedenle hastaların ultrason muayenesine aç karına ve dolu mesaneyle gelmeleri istenir. II. Deneyimli hekimler ancak görüntüleri doğru yorumlayabilirler ve hekimden hekime yorum değişebilir Tıpta Kullanımı: I. Kardiyoloji ve kalple ilgili dinamik çalışmalar II. III. IV. Kadın hastalıkları Kan dolaşım sistemi Karaciğer, böbrek, dalak, safrakesesi v.s