Hogyan működik a képalkotó ultrahang?

A bemutatás alatt mellőzöm a szűk körben érthető matematikai és fizikai képleteket. Csak közérthető és az érdeklődést fenntartó ismertetésre törekszek.

Dióhéjban a működés

Az ultrahang készülékekben az alábbi folyamatok játszódnak le:

  1. A készülék magasfrekvenciájú hangot (1 - 13 MHz) juttat a bőr alá, a testbe.
  2. A hang a testben továbbterjed, a határfelületeken visszaverődik, illetve szóródik (határfelületek:folyadékok-szövetek-csontok).
  3. A visszaverődő hanghullámokat a fejben lévő érzékelők fogadják. A többi hanghullám tovább halad és más határfelületről verődik vissza.
  4. A visszaverődő hanghullámokat a készülékhez csatlakoztatott fej érzékeli.
  5. A készülék kiszámolja a fej és a visszaverő határfelület távolságát a szövetben terjedő hanghullám sebességéből (1 540 m/s) és a visszaverődés idejéből.
  6. A készülék kijelzi a távolságot és a visszaverődő jel intenzitását a képernyőn. Mivel a fejben több hangkeltő és fogadó kristály van, ezért egy kétdimenziós képet jelenít meg a monitorján.

A készülékek fejében lévő kristályok a egy másodperc alatt több millió impulzust adnak le és több milliót fogadnak. Ebből látszik, hogy annál jobb egy kép felbontása, minél több kristály van egymás mellett a fejben.

Az ultrahang készülék részei

  •  Fej: kibocsájtja és fogadja az ultrahanghullámokat
  • CPU: a beérkező jeleket feldolgozza, számolja a távolságot, intenzitás.
  • Fej impulzus kontrol: a fejek által kibocsájtot hullámok amplitudóját, frekvenciáját és időtartamát szabályozza.
  • Billentyűzet: adatok beírására szolgál.
  •  Háttértár: a képek, adatok tárolására szolgál (CD, DVD, merevlemez)
  • Nyomtató: A megjelenített képet kinyomtatja.

A fej a készülék egyik legfontosabb része. Ez generálja az ultrahang hullámokat és fogadja a visszaverődő jeleket. A két műveletet felváltva végzi. Az ultrahangot piezoelektromos kristályok generálják, melyek elektromos térben rezegni kezdenek illetve rezgés hatására elektromos feszültséget adnak le. Ezáltal alkalmasak adónak és vevőnek egyaránt. Ezt a tulajdonságot Pierre és Jacques Curie fedezte fel 1880-ban. A fejben több kristály is van. A fej kimenetén egy olyan műanyag van, ami nem veri vissza a generált hanghullámokat. A bőrünket is azért kell bekenni géllel, hogy az akusztikus impedanciát lecsökkentsük, a bőr alá bejusson a hanghullám. A kibocsájtott hanghullámokat lehet fókuszálni, irányítani. A behatolási mélység a frekvencia függvénye. Minél alacsonyabb a frekvencia, annál mélyebbre jut az ultrahang. Az irányított hanghullámoknak a kardiológiai alkalmazásban van kiemelt szerepe.

Fej
 
Ultrahang fej

A CPU a készülék agya. A fejek által fogadott jeleket itt dolgozzák fel. A CPU valójában egy számítógép memóriával, processzorral, erősítővel és az egészet működtető tápegységgel. A CPU küld elektromos jeleket a fejbe, amiből a hanghullámok keletkeznek és ez fogadja a fejbe beérkező visszhangokat.A beérkező jelek feldolgozása után oszloponként jeleníti meg (2. kép) a képet. Készüléktől függően 9-100 fps sebességgel.

Az ultrahang készülékek üzemmódjai

A manapság használatos készülékek elsősorban a B-módú megjelenítést használják, ami azt jelenti, hogy a távolságot és az intenzitást jeleníti meg. Minél fényesebb egy pont, annál nagyobb abban a távolságban az ultrahang visszaverődése. Ha az M-módot (3. kép) bekapcsoljuk, akkor egy kurzorral kiválaszthatjuk, mely kristályra beérkező jeleket akarjuk megjeleníteni az idő függvényében.

UH kép

3. kép
A kék "vonalak" az UH képen zöldel jelölt vonal időben eltolt képe, az M-mód. A szívbillentyű mozgása látható az idő függvényében.

Doppler, Color Doppler

A Doppler effektusról mindenki hallott, ha máshol nem, egy közeledő és elhaladó mozdony dudálásakor. Először magasabbnak, majd mélyebbnek hallani a kürtszót. Az ultrahang készülék a testben áramló folyadékok esetén ugyanezt használja ki. A fejhez közeledő folyadékok frekvencianövekedést okoznak a visszaverődő hullámban, a távolodók csökkenést. Ha az eredeti és a visszaverődő hangok különbségét hallhatóvá tesszük, akkor a folyadékáramlással összefüggő hangokat hallunk. A color (színes) készülékek az áramlás irányát és sebességét is megjelenítik. A frekvenciaváltozásból ki lehet számolni a folyadékok áramlási sebességét és irányát. Ezeket színekkel és azok tónusával ki lehet rajzolni a képernyőre.

Kép 4.
A kép alsó részén az UH képen zöld vonallal jelölt részen kialakuló Doppler effektus képe látható az idő függvényében. Hallható is a készüléken.

 

Kép 5.
A zölddel határolt területen a készülék megjeleníti a Doppler effektus miatt változó visszaverődő jeleket. Színekkel jelzi, hogy a folyadék a fej felé, vagy a fejtől áramlik. Egy köldökzsinór látható.