การผลิตและการใช้งานคลื่นเสียงความถี่สูง
| English | ไทย |
|---|---|
| transducer/trænsˈdjuːsə/ | ทรานสดิวเซอร์ |
| ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ | อัลตราโซนิก |
| piezo-electric/piˌeɪtsəʊ ɪˈlektrɪk/ | acebook-electric |
| electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ | แรงขับเคลื่อนไฟฟ้า |
| longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ | ตามยาว |
| resolution/ˌrezəˈluːʃn/ | ความละเอียด |
| specific acoustic impedance/spəˈsɪfɪk əˈkuːstɪk ɪmˈpiːdəns/ | ความต้านทานเสียงจำเพาะ |
| density/ˈdensɪti/ | ความหนาแน่น |
| intensity reflection coefficient/ɪnˈtensɪti rɪˈflekʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ | สัมประสิทธิ์การสะท้อนความเข้ม |
ถ้าไม่มีเจล คุณจะเห็นอะไรเลย
- ก่อนการตรวจแพทย์อัลตราซาวด์จะทากेलเย็นบนผิวหนัง ดูเหมือนเป็นการดูแลความสบาย แต่ไม่ใช่
- หากไม่มีมันจะมีชั้นอากาศบางๆ ระหว่างหัวส่งสัญญาณกับผิวหนัง และ 99.9% ของพัลส์จะถูกสะท้อนกลับโดยตรงจากชั้นนั้น
- ด้วยเจลแล้ว มีเพียงประมาณ $0.2\%$ ที่ถูกสะท้อน และพัลส์เกือบทั้งหมดจะเข้าสู่ร่างกาย
- ตัวเลขหนึ่งคำนวณจาก $Z = \rho c$来决定สิ่งนี้ บทเรียนนี้จะบอกคุณว่าอัลตราซาวด์ถูกสร้างอย่างไร ใช้อย่างไร และตัวเลขนี้มีความหมายอะไร
อิเล็กโทรสตรict效应
- คริสตัลไฟฟ้าแรงดันเช่นควอตซ์หรือ PZT ทำสองสิ่งที่เชื่อมโยงกัน และทั้งสองอย่างจำเป็น
- เมื่อใส่ความต่างศักย์เข้าที่มัน จะ เปลี่ยนรูปร่าง นั่นคือวิธีการสร้างการสั่นสะเทือน
- เปลี่ยนรูปทรง โดย挤压它，และ will产生 electromotive force across it. That is how vibrations are detected.
- ผลทั้งสองเป็นตรงกันข้ามกันอย่างสมบูรณ์ นี่คือเหตุผลที่คริสตัลเดียวสามารถทำงานได้ทั้งสองอย่าง
ดันมันแล้วมันจะพูด, พูดกับมันแล้วมันจะดันกลับ
คริสตัลacebooklectric:
ทั้งสองปรากฏการณ์ทำให้คริสตัลตัวเดียวสามารถส่งคลื่นเสียงความถี่สูง (โดยใส่ความต่างศักย์) และตรวจจับกลับได้ (อ่านค่าแรงดันไฟฟ้า)
Transducer
- Transducer ใช้ผลดังกล่าวเพื่อทั้งสร้างและตรวจจับ อัลตราซาวด์ ซึ่งหมายถึงคลื่น ตามยาว ที่มีความถี่เหนือ $20\ \text{kHz}$
- การสร้าง, สำหรับสามคะแนน: ความต่างศักย์ สลับขั้ว ถูกนำไปใช้ข้ามคริสตัล; คริสตัลจะขยายและหดตัว ด้วยความถี่ของความต่างศักย์; ความต่างศักย์ถูกตั้งไว้ที่ความถี่ เรโซแนนซ์ ของคริสตัลเพื่อให้การสั่นสะเทือนมีขนาดใหญ่ และพื้นผิวจะดันเนื้อเยื่อ
- การตรวจจับ, สำหรับ 2 คะแนน:การเปลี่ยนแปลงความดันของคลื่นที่กลับมา เปลี่ยนรูปร่าง ของคริสตัล และการเปลี่ยนรูปร่าง สร้าง e.m.f. ซึ่งจะถูกขยายและบันทึก
- คริสตัลเดียวทำทั้งสองอย่างสลับกันระหว่างส่งและรับฟัง
One crystal, two jobs
เรียงลำดับการสร้างคลื่นเสียงความถี่สูงโดยทรานส์ดูเซอร์
การตรวจจับเป็นการย้อนกลับ: คลื่นที่กลับมาทำให้รูปร่างของคริสตัลเปลี่ยนแปลง และการเปลี่ยนรูปร่างจะสร้างแรงดันไฟฟ้า
การสร้างภาพแบบ Pulse-echo
- โครงร่าง 4 คะแนนประกอบด้วย:一个 pulse被ส่งเข้าผ่าน coupling gel;在每个边界部分 reflected และ return; the time delay ให้ความลึก; the intensity ของ echo บอกว่าเป็น boundary ประเภทใด
- ความลึกมาจาก旅程 ไปและกลับ:
- การ sweep transducer หรือการใช้ array สร้างภาพสองมิติ
- ตัวคูณ $2$ คือข้อผิดพลาดทางคณิตศาสตร์ที่พบบ่อยที่สุดในหัวข้อนี้
One spike out, several back
ตัวอย่างวิธีทำ: ขอบเขตอยู่ลึกแค่ไหน
- A pulse กลับมา $60\ \mu\text{s}$ หลังถูกส่ง และความเร็วเสียงในเนื้อเยื่อคือ $1500\ \text{m/s}$. จงหาความลึกของขอบเขตสะท้อน
- $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 60\times10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m} = 4.5\ \text{cm}$.
- ตัดลงเป็นครึ่งหนึ่ง เพราะพัลส์เดินทางไปที่นั่น และกลับมา การลืมตัดครึ่งจะได้ $9.0\ \text{cm}$ ซึ่งผิดคำตอบทั้งหมดด้วยเหตุผล值得จดจำ
คลื่นสะท้อนกลับมาที่ $2.0 \times 10^{-4}\ \text{s}$; ความเร็วเสียงคือ $1500\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. ขอบเขตอยู่ลึกเท่าไหร่?
$d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 2.0 \times 10^{-4}}{2} = 0.15\ \text{m}$ (พัลส์เดินทางไปถึงและกลับมายังจุดเริ่มต้น)
พัลส์คลื่นเสียงความถี่สูงกลับมาหลังจากส่ง出去 60 ไมโครวินาที ด้วยความเร็วเสียง 1500 m/s. ขอบเขตอยู่ลึกเท่าไหร่ในหน่วยเซนติเมตร?
d = ct/2 = 4.5 cm. หารสอง: พัลส์เดินทางไปถึง AND กลับมา การลืมหารด้วย 2 จะได้ 9.0 cm
ทำไมต้องใช้ pulse และทำไมต้องเป็น megahertz
- The transducer sends a short pulse และ затем listens. Every echo must arrive before the next pulse leaves, or echoes from different pulses could not be distinguished, and the crystal cannot transmit and receive at the same moment.
- ความถี่เป็น การประนีประนอม ความถี่ที่ สูงขึ้น หมายความว่าความยาวคลื่นสั้นลงและรายละเอียดละเอียดขึ้น ซึ่งให้ ความละเอียด ที่ดีกว่า
- แต่ความถี่ที่สูงขึ้นก็ถูก ลดทอนอย่างรุนแรง ดังนั้นอวัยวะที่อยู่ลึกจึงต้องการความถี่ที่ ต่ำกว่า อวัยวะที่อยู่ตื้น
- การสแกนทางการแพทย์ใช้ $1$ ถึง $15\ \text{MHz}$ โดยให้ความยาวคลื่นเป็นเศษส่วนของมิลลิเมตรในเนื้อเยื่อ
คลื่นเสียงความถี่สูงที่สูงกว่าจะมีผลอย่างไร? เลือก ทุก ข้อที่ถูกต้อง
การสะท้อนขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอิมพีแดนซ์ ไม่ใช่ความถี่ การเลือกความถี่คือการประนีประนอมระหว่างความละเอียดกับการทะลุเข้า ดังนั้นอวัยวะที่ลึกควรใช้ความถี่ต่ำกว่า
ความต้านทานเสียงจำเพาะ (Specific acoustic impedance)
- ค่า ความต้านทานเสียงจำเพาะ ของสื่อคือ ผลคูณของความหนาแน่นและความเร็วของเสียงในสื่อนั้น
- ต้องระบุทั้งสองปริมาณเพื่อรับคะแนน "ความยากในการผ่านของเสียง" ไม่ได้รับคะแนน
- ความหนาแน่น เพียงอย่างเดียวไม่ได้เป็นตัวกำหนด: น้ำและเนื้อเยื่ออ่อนมีองค์ประกอบต่างกันมากแต่มี $Z$近似กัน และสิ่งที่จะกำหนดปริมาณการสะท้อนคือ $Z$ ไม่ใช่ความหนาแน่น
- สำหรับเนื้อเยื่ออ่อน: $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$
อิมพีแดนซ์เสียง Z = ความหนาแน่น × ____.
$Z = \rho c$ — ความหนาแน่นคูณกับความเร็วเสียงในสื่อนั้น
จับคู่แต่ละขอบเขตกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับพัลส์
การทำภาพต้องการกรณีกลาง เจลทำหน้าที่เปลี่ยนกรณีแรกให้เป็นกรณีสามที่ผิวหนัง
ปริมาณการสะท้อนที่ขอบเขต
- ที่ขอบเขตระหว่างค่าความต้านทาน $Z_1$ และ $Z_2$, สัมประสิทธิ์การสะท้อนความเข้ม คือ
- ค่าความต้านทาน แตกต่างกันมาก สะท้อนเกือบทุกอย่าง ซึ่งเป็นปัญหาของผิวหนังกับอากาศ
- ค่าความต้านทาน คล้ายคลึงกันมาก สะท้อนแทบจะไม่มีการสะท้อนใดเลย ดังนั้นขอบเขตจึงมองไม่เห็น
- กรณีที่ใช้ได้สำหรับการสร้างภาพอยู่ตรงกลาง: ต่างกันพอที่จะเกิดเสียงสะท้อน แต่ใกล้เคียงพอที่พัลส์จะทะลุต่อไปยังขอบเขตถัดไป
ความไม่เข้ากันคือเสียงสะท้อน
เส้นทางตรวจด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง
ติดตามพัลส์จากทรานส์ดูเซอร์ไปยังภาพสะท้อน
สื่อสองชนิดที่มีอิมพีแดนซ์เสียงคล้ายคลึงกันมากจะให้คลื่นสะท้อนแทบไม่มี
สัดส่วนที่สะท้อนขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอิมพีแดนซ์; อิมพีแดนซ์คล้ายกันสะท้อนน้อยมาก ทำให้ขอบเขตมองเห็นยาก
ตัวอย่างคำนวณ: ทำไมเจลถึงไม่ใช่ทางเลือกเสริม
- อากาศมี $\rho = 1.29\ \text{kg/m}^3$ และ $c = 343\ \text{m/s}$. เจลมี $Z = 1.50\times10^{6}$ และเนื้อเยื่ออ่อนมี $Z = 1.63\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$. เปรียบเทียบการสะท้อนที่ขอบเขตอากาศ-เนื้อเยื่อและเจล-เนื้อเยื่อ.
- $Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$, ซึ่งมีค่าน้อยกว่าของเนื้อเยื่อด้วยปัจจัยประมาณ$4000$
- อากาศ-เนื้อเยื่อ: $\left(\dfrac{442 - 1.63\times10^{6}}{442 + 1.63\times10^{6}}\right)^2 = 0.9989$, ดังนั้น**$99.9\%$สะท้อน**และมีเพียง$0.1\%$ที่เข้าสู่ร่างกาย
- เจล-เนื้อเยื่อ: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^2 = 0.0017$, ดังนั้นมีเพียง$0.2\%$สะท้อน
- เจลแทนที่อากาศด้วยสิ่งที่มีความต้านทานใกล้เคียงกับผิวหนังมาก ทำให้พัลส์เกือบทั้งหมดเข้าสู่ได้ และเสียงสะท้อนก็ออกมาจากทางเดิม
เจลคัปเปิล링ระหว่างหัวตรวจกับผิวหนัง:
หากไม่มีเจล ความแตกต่างของอิมพีแดนซ์ระหว่างผิวหนังกับอากาศที่ยิ่งใหญ่จะสะท้อนคลื่นเสียงความถี่สูงเกือบทั้งหมดที่พื้นผิว
เจลมี Z = 1.50e6 และเนื้อเยื่ออ่อนมี Z = 1.63e6 kg/(m^2 s). สัดส่วนของความเข้มที่สะท้อนที่ขอบเขตเจล-เนื้อเยื่อเป็นร้อยละเท่าไหร่?
((1.50-1.63)/(1.50+1.63))^2 = 0.0017, นั่นคือ 0.17%. ที่ขอบเขตอากาศ-เนื้อเยื่อ สูตรเดียวกันให้ค่า 99.9%, นี่คือเหตุผลที่เจลไม่ใช่ทางเลือก
การลดทอน (Attenuation)
- อัลตราซาวด์อ่อนลงเมื่อเดินทาง ตามกฎเอกซ์โพเนนเชียลเดียวกับ X-ray และการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี:
- $\mu$คือสัมประสิทธิ์การลดทอนของสื่อ และ ความถี่สูงขึ้น จะมีค่า ใหญ่กว่า $\mu$ ซึ่งเป็นเหตุผลของการแลกเปลี่ยนในการเลือกความถี่
- เพื่อหาความหนา ให้ใช้ลอการิทึม: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$
- ระวัง หน่วย: $\mu$ใน$\text{cm}^{-1}$ต้องใช้$x$ในcm การผสมผสาน它们是标准错误และทำให้คำตอบผิดไป$100$เท่าในเลขชี้กำลัง
คะแนนที่หลุดหายไป
- แบ่งสอง ระยะทางในการคำนวณพัลส์-เสียงสะท้อน พัลส์เดินทางтудаและกลับ
- $Z = \rho c$ต้องการระบุทั้งความหนาแน่นและความเร็วในนิยาม
- สูตรการสะท้อนใช้ ผลต่างหารด้วยผลรวม, ยกกำลังสอง การลืมยกกำลังสองจะทำให้คำตอบผิดเพี้ยนไป
- เจลช่วยจับคู่ค่าความต้านทาน ไม่ใช่ "ช่วยให้เสียงเดินทาง" บอกว่ามันแทนอะไรและทำไมถึงทำอย่างนั้น
- ความถี่สูงขึ้นให้ ความละเอียด ที่ดีขึ้นแต่ ลดทอนมากขึ้น คำถามเกี่ยวกับอวัยวะลึกคือการถามถึงการแลกเปลี่ยนนี้
คุณเข้าใจแล้ว
- คริสตัล พิโซอิเล็กทริก เปลี่ยนรูปภายใต้ p.d. และสร้าง e.m.f. เมื่อรูปทรงเปลี่ยนไป ดังนั้น ทรานดิวเซอร์ ตัวเดียวจึงส่งและรับสัญญาณได้
- การสร้างภาพแบบพัลส์-เสียงสะท้อนให้ข้อมูลความลึกจาก$d = ct/2$และชนิดเนื้อเยื่อจากความเข้มของเสียงสะท้อน
- ความต้านทานเสียงจำเพาะ มีค่า$Z = \rho c$และ$I_R/I_0 = \left(\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\right)^2$ เป็นเหตุที่ช่องว่างอากาศสะท้อน$99.9\%$และเจลจึงจำเป็น
- อัลตราซาวด์ถูกลดทอนตาม$I = I_0 e^{-\mu x}$ และความถี่สูงขึ้นเป็นการแลกเปลี่ยน ความละเอียดที่ดีขึ้น กับ การทะลุทะลวงที่แย่ลง