Produksi dan penggunaan ultrasonik
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| transducer/trænsˈdjuːsə/ | transduser |
| ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ | ultrasound |
| piezo-electric/piˌeɪtsəʊ ɪˈlektrɪk/ | piezo-elektrik |
| electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ | gaya gerak listrik |
| longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ | longitudinal |
| resolution/ˌrezəˈluːʃn/ | resolusi |
| specific acoustic impedance/spəˈsɪfɪk əˈkuːstɪk ɪmˈpiːdəns/ | impedansi akustik spesifik |
| density/ˈdensɪti/ | densitas |
| intensity reflection coefficient/ɪnˈtensɪti rɪˈflekʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ | koefisien pantulan intensitas |
Tanpa jelly Anda tidak akan melihat apa-apa
- Sebelum pemindaian, sonografer mengoleskan gel dingin pada kulit. Tampak seperti tindakan kenyamanan. Namun tidak.
- Tanpanya terdapat lapisan udara tipis antara transduser dan kulit, dan 99.9% dari pulsa memantul lurus kembali darinya.
- Dengan gel, hanya sekitar $0.2\%$ yang memantul dan hampir seluruh pulsa masuk ke dalam tubuh.
- Satu angka, dihitung dari $Z = \rho c$, yang memutuskan hal itu. Pelajaran ini membahas bagaimana ultrasonografi dibuat, bagaimana digunakan, dan makna angka tersebut.
Efek piezoelektrik
- Kristal piezoelektrik seperti kuarsa atau PZT melakukan dua hal yang saling terkait, dan keduanya diperlukan.
- Berikan beda potensial di atasnya dan kristal akan berubah bentuk. Itulah cara getaran dihasilkan.
- Ubah bentuknya, dengan meremasnya, dan gaya gerak listrik muncul di atasnya. Itulah cara getaran dideteksi.
- Kedua efek ini merupakan kebalikan yang sempurna satu sama lain, itulah sebabnya satu kristal dapat melakukan kedua pekerjaan tersebut.
Dorong dan ia berbicara, bicara padanya dan ia mendorong balik
Kristal piezoelektrik:
Kedua efek memungkinkan satu kristal memancarkan ultrasonik (terapkan tegangan) dan mendeteksinya (baca GGL).
Transduser
- Transduser memanfaatkan efek tersebut untuk menghasilkan dan mendeteksi ultrasonografi, yaitu gelombang longitudinal di atas $20\ \text{kHz}$.
- Penggeneratoran, untuk tiga poin: beda potensial bolak-balik diterapkan di atas kristal; kristal membesar dan mengecil pada frekuensi beda potensial; beda potensial diatur pada frekuensi resonansi kristal sehingga getaran besar, dan permukaannya menekan jaringan.
- Deteksi, untuk dua poin: variasi tekanan gelombang yang kembali mengubah bentuk kristal, dan perubahan bentuk menghasilkan gaya gerak listrik, yang diperkuat dan direkam.
- Kristal yang sama melakukan keduanya, beralih antara transmit dan listen.
Satu kristal, dua pekerjaan
Urutkan proses pembentukan ultrasonik oleh sebuah transduser.
Deteksi adalah kebalikan: gelombang yang kembali mengubah bentuk kristal, dan perubahan bentuk menghasilkan GGL.
Pencitraan pulse-echo
- Garis besar empat poin berjalan: pulsa dikirim melalui gel kopling; di setiap batas sebagian memantul dan kembali; penundaan waktu memberikan kedalaman; intensitas gema menunjukkan jenis batas tersebut.
- Kedalaman berasal dari perjalanan bolak-balik:
- Menyapu transduser, atau menggunakan array, membangun gambar dua dimensi.
- Faktor $2$ adalah kesalahan aritmatika tunggal yang paling umum dalam topik ini.
Satu loncatan keluar, beberapa kembali
Contoh soal: seberapa dalam batas tersebut
- Sebuah pulsa kembali $60\ \mu\text{s}$ setelah dikirim, dan kecepatan suara di jaringan adalah $1500\ \text{m/s}$. Temukan kedalaman batas pemantul.
- $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 60\times10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m} = 4.5\ \text{cm}$.
- Bagilah dua, karena pulsa tersebut bergerak ke sana dan kembali. Lupa membagi dua menghasilkan $9.0\ \text{cm}$, yang merupakan jawaban utuh yang salah karena alasan yang patut diingat.
Gema kembali setelah $2.0 \times 10^{-4}\ \text{s}$; kecepatan bunyi adalah $1500\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Seberapa dalam batasnya?
$d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 2.0 \times 10^{-4}}{2} = 0.15\ \text{m}$ (denyut berjalan ke sana dan kembali).
Pulsa ultrasonik kembali 60 mikrosekon setelah transmisi, dengan kecepatan bunyi 1500 m/s. Seberapa dalam batasnya, dalam cm?
d = ct/2 = 4.5 cm. Bagi dua: pulsa telah traveling KE sana DAN KEMBALI. Melupakan angka 2 akan menghasilkan 9.0 cm.
Mengapa pulsa, dan mengapa megahertz
- Transduser mengirimkan pulsa pendek lalu mendengarkan. Setiap gema harus tiba sebelum pulsa berikutnya keluar, atau gema dari pulsa yang berbeda tidak dapat dibedakan, dan kristal tidak dapat mengirim dan menerima pada saat yang sama.
- Frekuensi adalah kompromi. Frekuensi yang lebih tinggi berarti panjang gelombang yang lebih pendek dan detail yang lebih halus, serta resolusi yang lebih baik.
- Namun, frekuensi yang lebih tinggi juga teredam lebih kuat, sehingga organ dalam membutuhkan frekuensi yang lebih rendah daripada organ dangkal.
- Pemindaian medis menggunakan $1$ hingga $15\ \text{MHz}$, menghasilkan panjang gelombang pecahan milimeter di dalam jaringan.
Frekuensi ultrasonik yang lebih tinggi memiliki efek apa? Pilih semua yang berlaku.
Refleksi ditentukan oleh ketidakcocokan impedansi, bukan frekuensi. Pemilihan frekuensi adalah kompromi antara resolusi dan penetrasi, sehingga organ dalam dipindai dengan frekuensi yang lebih rendah.
Impedansi akustik spesifik
- Impedansi akustik spesifik dari suatu medium adalah hasil kali massa jenisnya dengan kecepatan rambat bunyi di dalamnya.
- Kedua besaran harus disebutkan untuk mendapatkan dua nilai. "Seberapa sulit suara menembus" tidak memberikan nilai apa pun.
- Massa jenis saja tidak menentukannya: air dan jaringan lunak memiliki komposisi sangat berbeda namun hampir memiliki $Z$ yang sama, dan itu adalah $Z$, bukan massa jenis, yang menentukan berapa banyak yang dipantulkan.
- Untuk jaringan lunak: $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$.
Impedansi akustik Z = densitas × ____.
$Z = \rho c$ — densitas dikalikan kecepatan bunyi di medium tersebut.
Pasangkan setiap batas dengan apa yang terjadi pada pulsa.
Pemindaian membutuhkan kasus tengah. Gel berfungsi untuk mengubah kasus pertama menjadi ketiga di kulit.
Berapa banyak yang dipantulkan pada batas
- Pada batas antara impedansi $Z_1$ dan $Z_2$, koefisien pemantulan intensitas adalah
- Impedansi yang sangat berbeda memantulkan hampir seluruhnya, inilah masalah kulit-udara.
- Impedansi yang sangat mirip memantulkan hampir tidak ada, sehingga batas tersebut tak terlihat.
- Kasus yang berguna untuk pencitraan berada di tengah-tengah: cukup berbeda untuk memberikan gema, namun cukup mirip agar pulsa terus berlanjut ke batas berikutnya.
Ketidakcocokan adalah gema
Rute pemindaian ultrasonik
Ikuti denyut dari transduser hingga gambar gema.
Dua medium dengan impedansi akustik yang sangat mirip memberikan hampir tidak ada gema.
Fraksi yang terpantul bergantung pada perbedaan impedansi; impedansi yang mirip memantulkan sangat sedikit, sehingga batas sulit terlihat.
Contoh terpecahkan: mengapa gel tidak opsional
- Udara memiliki $\rho = 1.29\ \text{kg/m}^3$ dan $c = 343\ \text{m/s}$. Gel memiliki $Z = 1.50\times10^{6}$ dan jaringan lunak $Z = 1.63\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$. Bandingkan pemantulan pada batas udara-jaringan dan gel-jaringan.
- $Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$, yang lebih kecil dari jaringan dengan faktor hampir $4000$.
- Udara-jaringan: $\left(\dfrac{442 - 1.63\times10^{6}}{442 + 1.63\times10^{6}}\right)^2 = 0.9989$, sehingga $99.9\%$ dipantulkan dan hanya $0.1\%$ masuk ke tubuh.
- Gel-jaringan: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^2 = 0.0017$, sehingga hanya $0.2\%$ dipantulkan.
- Gel menggantikan udara dengan sesuatu yang impedansinya hampir cocok dengan kulit, sehingga hampir seluruh pulsa masuk, dan gema kembali keluar dengan cara yang sama.
Gel pengikat antara probe dan kulit:
Tanpa gel, perbedaan impedansi kulit-udara yang besar akan memantulkan hampir seluruh ultrasonik di permukaan.
Gel memiliki Z = 1.50e6 dan jaringan lunak Z = 1.63e6 kg/(m^2 s). Berapa persentase intensitas yang terpantul di batas gel-jaringan?
((1.50-1.63)/(1.50+1.63))^2 = 0.0017, yaitu 0.17%. Di batas udara-jaringan, rumus yang sama menghasilkan 99.9%, itulah sebabnya gel tidak opsional.
Redaman
- Ultrasonik melemah saat merambat, dengan hukum eksponensial yang sama yang mengatur sinar-X dan peluruhan radioaktif:
- $\mu$ adalah koefisien redaman medium, dan frekuensi yang lebih tinggi memiliki $\mu$ yang lebih besar, yang merupakan kompromi di balik pemilihan frekuensi.
- Untuk mencari ketebalan, gunakan logaritma: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$.
- Perhatikan satuan: $\mu$ dalam $\text{cm}^{-1}$ memerlukan $x$ dalam cm. Mencampurnya adalah kesalahan standar dan menghasilkan jawaban yang salah dengan faktor $100$ dalam eksponen.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Bagi dua jarak dalam perhitungan pulse-echo. Pulsa pergi ke sana dan kembali.
- $Z = \rho c$ memerlukan keduanya massa jenis dan kecepatan disebutkan dalam definisi.
- Rumus pemantulan menggunakan selisih dibagi jumlah, dikuadratkan. Lupa mengkuadratkannya mengubah jawaban sepenuhnya.
- Gel mencocokkan impedansi, ia tidak "membantu suara merambat". Sebutkan apa yang digantikannya dan alasannya.
- Frekuensi yang lebih tinggi memberikan resolusi yang lebih baik tetapi redaman yang lebih banyak. Pertanyaan tentang organ dalam meminta kompromi ini.
Anda telah memahaminya
- Kristal piezoelektrik berubah bentuk di bawah p.d. dan menghasilkan e.m.f. ketika bentuknya berubah, sehingga satu transduser baik mengirim maupun mendeteksi
- Pencitraan pulse-echo memberikan kedalaman dari $d = ct/2$ dan jenis jaringan dari intensitas gema
- impedansi akustik spesifik adalah $Z = \rho c$, dan $I_R/I_0 = \left(\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\right)^2$, itulah sebabnya celah udara memantulkan $99.9\%$ dan gel mutlak diperlukan
- ultrasonik teredam sebagai $I = I_0 e^{-\mu x}$, dan frekuensi yang lebih tinggi menukar resolusi yang lebih baik dengan penetrasi yang lebih buruk