Production and use of ultrasound · Production et utilisation des ultrasons
| English | Français |
|---|---|
| transducer/trænsˈdjuːsə/ | transducteur |
| ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ | ultrasons |
| piezo-electric/piˌeɪtsəʊ ɪˈlektrɪk/ | piézoélectrique |
| electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ | force électromotrice |
| longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ | longitudinale |
| resolution/ˌrezəˈluːʃn/ | résolution |
| specific acoustic impedance/spəˈsɪfɪk əˈkuːstɪk ɪmˈpiːdəns/ | impédance acoustique spécifique |
| density/ˈdensɪti/ | densité |
| intensity reflection coefficient/ɪnˈtensɪti rɪˈflekʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ | coefficient de réflexion d'intensité |
Without the jelly you would see nothing at all
- Before a scan the sonographer smears cold gel on the skin. It looks like a comfort measure. It is not.
- Without it there is a thin layer of air between the transducer and the skin, and 99.9% of the pulse reflects straight back off it.
- With the gel, only about $0.2\%$ reflects and almost the whole pulse enters the body.
- One number, computed from $Z = \rho c$, decides that. This lesson is how ultrasound is made, how it is used, and what that number means.
Sans le gel, vous ne verriez rien du tout
- Avant un examen échographique, le radiographe étale du gel froid sur la peau. Cela ressemble à une mesure de confort. Ce n'est pas le cas.
- Sans elle, il y a une fine couche d'air entre le transducteur et la peau, et 99.9% de l'impulsion se reflète directement vers l'arrière.
- Avec le gel, seulement environ $0.2\%$ se réfléchit et presque toute l'onde pulsée pénètre dans le corps.
- Un seul nombre, calculé à partir de $Z = \rho c$, décide de cela. Cette leçon explique comment l'échographie est produite, comment elle est utilisée et ce que signifie ce nombre.
The piezo-electric effect
- A piezo-electric 压电 crystal such as quartz or PZT does two linked things, and both are needed.
- Put a p.d. across it and it changes shape. That is how vibrations are made.
- Change its shape, by squeezing it, and an electromotive force 电动势 appears across it. That is how vibrations are detected.
- The two effects are exact opposites of each other, which is why one crystal can do both jobs.
Push it and it speaks, speak to it and it pushes back
L'effet piézoélectrique
- Un cristal piézoélectrique 压电 comme le quartz ou le PZT effectue deux choses liées, et les deux sont nécessaires.
- Appliquer une p.d. à ses bornes le fait changer de forme. C'est ainsi que les vibrations sont générées.
- Changer sa forme, en le comprimant, fait apparaître une force électromotrice 电动势 à ses bornes. C'est ainsi que les vibrations sont détectées.
- Les deux effets sont exactement opposés l'un à l'autre, c'est pourquoi un seul cristal peut assurer les deux fonctions.
Poussez-le et il parle, parlez-lui et il repousse
A piezo-electric crystal: · Un cristal piézoélectrique :
Both effects let one crystal send ultrasound (apply p.d.) and detect it (read the e.m.f.). · Les deux effets permettent à un cristal d'émettre des ultrasons (appliquer une p.d.) et de les détecter (lire la f.e.m.).
The transducer
- A transducer 换能器 uses that effect to both make and detect ultrasound 超声波, meaning longitudinal 纵波 waves above $20\ \text{kHz}$.
- Generating, for three marks: an alternating p.d. is applied across the crystal; the crystal expands and contracts at the frequency of the p.d.; the p.d. is set at the crystal's resonant frequency so the vibration is large, and the faces push on the tissue.
- Detecting, for two marks: the returning wave's pressure variations change the shape of the crystal, and a changing shape generates an e.m.f., which is amplified and recorded.
- The same crystal does both, switched between transmitting and listening.
One crystal, two jobs
Le transducteur
- Un transducteur 换能器 utilise cet effet pour à la fois produire et détecter des ultrasons 超声波, c'est-à-dire des ondes longitudinales 纵波 situées au-dessus de $20\ \text{kHz}$.
- Génération, pour trois points : une p.d. alternative est appliquée aux bornes du cristal ; le cristal se dilate et se contracte à la fréquence de la p.d. ; la p.d. est réglée à la fréquence résonnante du cristal afin que la vibration soit importante, et les faces poussent contre les tissus.
- Détection, pour deux points : les variations de pression de l'onde retour modifient la forme du cristal, et un changement de forme génère une f.e.m., qui est amplifiée et enregistrée.
- Le même cristal assure les deux rôles, basculant entre l'émission et l'écoute.
Un cristal, deux tâches
Put the generation of ultrasound by a transducer in order. · Mettez en ordre la génération d'ultrasons par un transducteur.
Detection is the reverse: the returning wave changes the crystal's shape, and a changing shape generates an e.m.f. · La détection est l'inverse : l'onde réfléchie modifie la forme du cristal, et cette variation de forme génère une f.e.m.
Pulse-echo imaging
- The four-mark outline runs: a pulse is sent in through coupling gel; at each boundary part reflects and returns; the time delay gives the depth; the intensity of the echo says what kind of boundary it was.
- Depth comes from the there-and-back trip:
- Sweeping the transducer, or using an array, builds a two-dimensional image.
- The factor of $2$ is the single commonest arithmetic slip in this topic.
One spike out, several back
Imagerie par écho-impulsion
- Le plan général sur quatre points suit : une impulsion est envoyée à travers le gel de couplage ; à chaque interface, une partie se réfléchit et revient ; le délai temporel donne la profondeur ; l'intensité de l'écho indique la nature de l'interface.
- La profondeur vient du trajet aller-retour :
- Balayer le transducteur, ou utiliser un réseau, construit une image bidimensionnelle.
- Le facteur $2$ est l'erreur arithmétique la plus fréquente dans ce sujet.
Une pointe vers l'extérieur, plusieurs vers l'intérieur
Worked example: how deep is the boundary
- A pulse returns $60\ \mu\text{s}$ after it was sent, and the speed of sound in the tissue is $1500\ \text{m/s}$. Find the depth of the reflecting boundary.
- $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 60\times10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m} = 4.5\ \text{cm}$.
- Halve it, because the pulse travelled there and back. Forgetting to gives $9.0\ \text{cm}$, which is a whole answer wrong for a reason worth remembering.
Exemple résolu : quelle est la profondeur de l'interface
- Une impulsion revient $60\ \mu\text{s}$ après avoir été envoyée, et la vitesse du son dans le tissu est $1500\ \text{m/s}$. Trouver la profondeur de l'interface réfléchissante.
- $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 60\times10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m} = 4.5\ \text{cm}$.
- Diviser par deux, car l'impulsion a parcouru le trajet aller et retour. Oublier de le faire donne $9.0\ \text{cm}$, qui est une réponse entière fausse pour une raison qu'il vaut la peine de retenir.
An echo returns after $2.0 \times 10^{-4}\ \text{s}$; the speed of sound is $1500\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. How deep is the boundary? · Un écho revient après $2.0 \times 10^{-4}\ \text{s}$ ; la vitesse du son est $1500\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Quelle est la profondeur de l'interface ?
$d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 2.0 \times 10^{-4}}{2} = 0.15\ \text{m}$ (the pulse travels there and back). · $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 2.0 \times 10^{-4}}{2} = 0.15\ \text{m}$ (l'impulsion y va et revient).
An ultrasound pulse returns 60 microseconds after transmission, with a speed of sound of 1500 m/s. How deep is the boundary, in cm? · Une impulsion ultrasonore revient 60 microsecondes après l'émission, avec une vitesse du son de 1500 m/s. Quelle est la profondeur de l'interface, en cm ?
d = ct/2 = 4.5 cm. Halve it: the pulse travelled there AND back. Forgetting the 2 gives 9.0 cm. · d = ct/2 = 4.5 cm. Divisez par deux : l'impulsion a parcouru cet aller ET retour. Omettre le 2 donne 9.0 cm.
Why pulses, and why megahertz
- The transducer sends a short pulse and then listens. Every echo must arrive before the next pulse leaves, or echoes from different pulses could not be told apart, and the crystal cannot transmit and receive at the same moment.
- The frequency is a compromise. A higher frequency means a shorter wavelength and finer detail, better resolution 分辨率.
- But a higher frequency is also attenuated more strongly, so a deep organ needs a lower frequency than a shallow one.
- Medical scanning uses $1$ to $15\ \text{MHz}$, giving wavelengths of a fraction of a millimetre in tissue.
Pourquoi des impulsions, et pourquoi des mégahertz
- Le transducteur envoie une brève impulsion puis écoute. Chaque écho doit arriver avant que la prochaine impulsion ne parte, sinon les échos de différentes impulsions ne pourraient pas être distingués, et le cristal ne peut ni émettre ni recevoir simultanément.
- La fréquence est un compromis. Une fréquence plus élevée signifie une longueur d'onde plus courte et des détails plus fins, meilleure résolution 分辨率.
- Mais une fréquence plus élevée subit également une atténuation plus forte, donc un organe profond nécessite une fréquence plus basse qu'un organe superficiel.
- L'imagerie médicale utilise $1$ à $15\ \text{MHz}$, donnant des longueurs d'onde inférieures à un millimètre dans les tissus.
A higher ultrasound frequency has which effects? Select all · tout that apply. · Quelle(s) effet(s) a une fréquence ultrasonore plus élevée ? Cochez toutes les réponses applicables.
Reflection is set by the impedance mismatch, not the frequency. The frequency choice is a resolution-against-penetration compromise, so a deep organ is scanned at a lower frequency. · La réflexion dépend du désaccord d'impédance, pas de la fréquence. Le choix de la fréquence est un compromis entre résolution et pénétration, donc un organe profond est examiné à une fréquence plus basse.
Specific acoustic impedance
- The specific acoustic impedance 声阻抗 of a medium is the product of its density and the speed of sound in it.
- Both quantities must be named for the two marks. "How hard sound finds it to pass" scores nothing.
- Density 密度 alone does not decide it: water and soft tissue have very different compositions and nearly the same $Z$, and it is $Z$, not density, that fixes how much reflects.
- For soft tissue: $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$.
Impédance acoustique spécifique
- L'impédance acoustique spécifique 声阻抗 d'un milieu est le produit de sa densité et de la vitesse du son dans celui-ci.
- Les deux quantités doivent être nommées pour obtenir les deux points. « Comment le son trouve difficilement le passage » ne rapporte aucun point.
- La densité 密度 seule ne la détermine pas : l'eau et les tissus mous ont des compositions très différentes mais des $Z$ quasi identiques, et c'est la $Z$, et non la densité, qui fixe la quantité réfléchie.
- Pour les tissus mous : $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$.
Acoustic impedance Z = density × ____. · L'impédance acoustique Z = densité × ____.
$Z = \rho c$ — density times the speed of sound in the medium. · $Z = \rho c$ — densité multipliée par la vitesse du son dans le milieu.
Match each boundary to what happens to the pulse. · Reliez chaque interface à ce qui se passe pour l'impulsion.
Imaging needs the middle case. The gel exists to convert the first case into the third at the skin. · L'imagerie nécessite le cas intermédiaire. Le gel sert à convertir le premier cas en le troisième au niveau de la peau.
How much reflects at a boundary
- At a boundary between impedances $Z_1$ and $Z_2$, the intensity reflection coefficient 强度反射系数 is
- Very different impedances reflect almost everything, which is the skin-air problem.
- Very similar impedances reflect almost nothing, so the boundary is invisible.
- The useful case for imaging is in between: different enough to give an echo, similar enough that the pulse carries on to the next boundary.
The mismatch is the echo
Combien se réfléchit à une interface
- À une interface entre des impédances $Z_1$ et $Z_2$, le coefficient de réflexion d'intensité 强度反射 coefficient est
- Des impédances très différentes réfléchissent presque tout, c'est le problème peau-air.
- Des impédances très similaires réfléchissent presque rien, donc l'interface est invisible.
- Le cas utile pour l'imagerie se situe entre les deux : suffisamment différent pour donner un écho, assez similaire pour que l'impulsion poursuive son chemin vers l'interface suivante.
Le désaccord crée l'écho
Ultrasound scan route · Parcours d'échographie aux ultrasons
Follow a pulse from transducer to echo image. · Suivez une impulsion du transducteur à l'image d'écho.
Two media with very similar acoustic impedance give almost no echo. · Deux milieux ayant des impédances acoustiques très similaires produisent presque aucun écho.
The reflected fraction depends on the impedance difference; similar impedances reflect very little, so the boundary is hard to see. · La fraction réfléchie dépend de la différence d'impédance ; des impédances similaires réfléchissent très peu, rendant l'interface difficile à voir.
Worked example: why the gel is not optional
- Air has $\rho = 1.29\ \text{kg/m}^3$ and $c = 343\ \text{m/s}$. Gel has $Z = 1.50\times10^{6}$ and soft tissue $Z = 1.63\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$. Compare the reflection at an air-tissue and a gel-tissue boundary.
- $Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$, which is smaller than tissue's by a factor of nearly $4000$.
- Air-tissue: $\left(\dfrac{442 - 1.63\times10^{6}}{442 + 1.63\times10^{6}}\right)^2 = 0.9989$, so $99.9\%$ reflects and only $0.1\%$ enters the body.
- Gel-tissue: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^2 = 0.0017$, so only $0.2\%$ reflects.
- The gel replaces the air with something whose impedance nearly matches skin, so almost the whole pulse gets in, and the echoes get back out the same way.
Exemple résolu : pourquoi le gel n'est pas optionnel
- L'air a $\rho = 1.29\ \text{kg/m}^3$ et $c = 343\ \text{m/s}$. Le gel a $Z = 1.50\times10^{6}$ et les tissus mous $Z = 1.63\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$. Comparer la réflexion à une interface air-tissu et une interface gel-tissu.
- $Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$, qui est inférieur à celui des tissus d'un facteur d'environ $4000$.
- Air-tissu : $\left(\dfrac{442 - 1.63\times10^{6}}{442 + 1.63\times10^{6}}\right)^2 = 0.9989$, donc $99.9\%$ se réfléchit et seul $0.1\%$ pénètre dans le corps.
- Gel-tissu : $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^2 = 0.0017$, donc seul $0.2\%$ se réfléchit.
- Le gel remplace l'air par quelque chose dont l'impédance correspond presque à celle de la peau, de sorte que presque toute l'impulsion pénètre, et les échos ressortent de la même manière.
The coupling gel between the probe and the skin: · Le gel de couplage entre la sonde et la peau :
Without it, the huge skin–air impedance difference would reflect almost all the ultrasound at the surface. · Sans lui, la grande différence d'impédance peau-air réfléchirait presque tous les ultrasons à la surface.
Gel has Z = 1.50e6 and soft tissue Z = 1.63e6 kg/(m^2 s). What percentage of the intensity reflects at the gel-tissue boundary? · Le gel a Z = 1.50e6 et les tissus mous ont Z = 1.63e6 kg/(m^2 s). Quel pourcentage de l'intensité est réfléchi à l'interface gel-tissu ?
((1.50-1.63)/(1.50+1.63))^2 = 0.0017, that is 0.17%. At an air-tissue boundary the same formula gives 99.9%, which is why the gel is not optional. · ((1.50-1.63)/(1.50+1.63))^2 = 0.0017, c'est-à-dire 0.17%. À une interface air-tissu, la même formule donne 99.9%, ce qui explique pourquoi le gel n'est pas optionnel.
Attenuation
- Ultrasound weakens as it travels, by the same exponential law that governs X-rays and radioactive decay:
- $\mu$ is the attenuation coefficient of the medium, and a higher frequency has a larger $\mu$, which is the trade-off behind the choice of frequency.
- To find a thickness, take logs: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$.
- Watch the units: $\mu$ in $\text{cm}^{-1}$ needs $x$ in cm. Mixing them is the standard error and gives an answer wrong by a factor of $100$ in the exponent.
Atténuation
- L'ultrason s'affaiblit en se propageant, selon la même loi exponentielle qui régit les rayons X et la désintégration radioactive :
- $\mu$ est le coefficient d'atténuation du milieu, et une fréquence plus élevée possède un $\mu$ plus grand, ce qui est le compromis derrière le choix de la fréquence.
- Pour trouver une épaisseur, prendre les logarithmes : $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$.
- Surveiller les unités : $\mu$ en $\text{cm}^{-1}$ nécessite $x$ en cm. Les mélanger est l'erreur standard et donne une réponse fausse d'un facteur de $100$ dans l'exposant.
Marks that slip away
- Halve the distance in the pulse-echo calculation. The pulse goes there and back.
- $Z = \rho c$ needs both density and speed named in the definition.
- The reflection formula uses the difference over the sum, squared. Forgetting to square it changes the answer completely.
- The gel matches impedances, it does not "help the sound travel". Say what it replaces and why.
- Higher frequency gives better resolution but more attenuation. A question about a deep organ is asking for that trade-off.
Pièges qui font perdre des points
- Diviser par deux la distance dans le calcul écho-impulsion. L'impulsion va et revient.
- $Z = \rho c$ nécessite que les deux termes, densité et vitesse, soient nommés dans la définition.
- La formule de réflexion utilise la différence divisée par la somme, le tout au carré. Oublier de l'élever au carré change complètement la réponse.
- Le gel égalise les impédances, il ne sert pas à "aider le son à voyager". Dites ce qu'il remplace et pourquoi.
- Une fréquence plus élevée offre une meilleure résolution mais subit plus d'atténuation. Une question portant sur un organe profond porte sur ce compromis.
You've got it
- a piezo-electric crystal changes shape under a p.d. and generates an e.m.f. when its shape changes, so one transducer both sends and detects
- pulse-echo imaging gives depth from $d = ct/2$ and tissue type from the echo's intensity
- specific acoustic impedance is $Z = \rho c$, and $I_R/I_0 = \left(\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\right)^2$, which is why an air gap reflects $99.9\%$ and the gel is essential
- ultrasound is attenuated as $I = I_0 e^{-\mu x}$, and a higher frequency trades better resolution for worse penetration
Vous avez compris
- un cristal piézoélectrique change de forme sous une p.d. et génère une f.e.m. lorsqu'il change de forme, donc un transducteur unique émet et détecte
- l'imagerie par écho-impulsion donne la profondeur à partir de $d = ct/2$ et le type de tissu à partir de l'intensité de l'écho
- l'impédance acoustique spécifique est $Z = \rho c$, et $I_R/I_0 = \left(\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\right)^2$, c'est pourquoi une cavité d'air réfléchit $99.9\%$ et le gel est indispensable
- les ultrasons s'atténuent comme $I = I_0 e^{-\mu x}$, et une fréquence plus élevée offre une meilleure résolution au détriment d'une pénétration moindre