Production and use of ultrasound · Produção e uso de ultrassom
| English | Português |
|---|---|
| transducer/trænsˈdjuːsə/ | transdutor |
| ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ | ultrassom |
| piezo-electric/piˌeɪtsəʊ ɪˈlektrɪk/ | piezoelétrico |
| electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ | força eletromotriz |
| longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ | longitudinal |
| resolution/ˌrezəˈluːʃn/ | resolução |
| specific acoustic impedance/spəˈsɪfɪk əˈkuːstɪk ɪmˈpiːdəns/ | impedância acústica específica |
| density/ˈdensɪti/ | densidade |
| intensity reflection coefficient/ɪnˈtensɪti rɪˈflekʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ | coeficiente de reflexão de intensidade |
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.
Sem a geléia você não veria nada
- Antes de um exame, o sonografista espalha gel frio na pele. Parece uma medida de conforto. Não é.
- Sem ela, há uma fina camada de ar entre o transdutor e a pele, e 99.9% do pulso reflete diretamente para trás.
- Com o gel, apenas cerca de $0.2\%$ reflete e quase todo o pulso entra no corpo.
- Um número, calculado a partir de $Z = \rho c$, decide isso. Esta lição ensina como os ultrassons são feitos, como são usados e o que esse número significa.
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
Efeito piezelétrico
- Um cristal piezoelétrico 压电 como quartzo ou PZT faz duas coisas interligadas, e ambas são necessárias.
- Aplique uma d.d.p. sobre ele e ele muda de forma. É assim que as vibrações são geradas.
- Mude sua forma, espremendo-o, e surge uma força eletromotriz 电动势 sobre ele. É assim que as vibrações são detectadas.
- Os dois efeitos são opostos exatos um do outro, motivo pelo qual um único cristal pode fazer ambos os trabalhos.
Empurre e ele fala, fale com ele e ele empurra de volta
A piezo-electric crystal: · Um cristal piezelétrico:
Both effects let one crystal send ultrasound (apply p.d.) and detect it (read the e.m.f.). · Ambos os efeitos permitem que um cristal emita ultrassom (aplicar t.p.) e o detete (ler a 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
O transdutor
- Um transdutor 换能器 usa esse efeito para tanto gerar quanto detectar ultrassom 超声波, ou seja, ondas longitudinais 纵波 acima de $20\ \text{kHz}$.
- Gerando, para três pontos: aplica-se uma d.d.p. alternada sobre o cristal; o cristal expande e contrai na frequência da d.d.p.; a d.d.p. é ajustada na frequência de ressonância do cristal para que a vibração seja grande, e as faces empurram o tecido.
- Detectando, para dois pontos: as variações de pressão da onda retornada alteram a forma do cristal, e uma mudança de forma gera uma f.e.m., que é amplificada e registrada.
- O mesmo cristal faz ambos, alternando entre transmissão e escuta.
Um cristal, dois trabalhos
Put the generation of ultrasound by a transducer in order. · Organize a geração de ultrassom por um transdutor.
Detection is the reverse: the returning wave changes the crystal's shape, and a changing shape generates an e.m.f. · A deteção é o inverso: a onda devolvida altera a forma do cristal, e uma forma variável gera uma 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
Imagem por pulso-eco
- O esboço de quatro pontos funciona assim: um pulso é enviado através do gel de acoplamento; em cada fronteira parte reflete e retorna; o atraso de tempo dá a profundidade; a intensidade do eco diz qual era o tipo de fronteira.
- A profundidade vem da ida e volta:
- Varrendo o transdutor, ou usando um array, constrói-se uma imagem bidimensional.
- O fator de $2$ é o erro aritmético mais comum neste tópico.
Um pico para fora, vários de volta
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.
Exemplo resolvido: quão profunda é a fronteira
- Um pulso retorna $60\ \mu\text{s}$ depois de ser enviado, e a velocidade do som no tecido é $1500\ \text{m/s}$. Encontre a profundidade da fronteira refletora.
- $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 60\times10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m} = 4.5\ \text{cm}$.
- Divida por dois, pois o pulso viajou até lá e de volta. Esquecer de dividir resulta em $9.0\ \text{cm}$, que está totalmente errado por uma razão importante a lembrar.
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? · Um eco retorna após $2.0 \times 10^{-4}\ \text{s}$; a velocidade do som é $1500\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Qual a profundidade da interface?
$d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 2.0 \times 10^{-4}}{2} = 0.15\ \text{m}$ (the pulse travels there and back). · $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 2.0 \times 10^{-4}}{2} = 0.15\ \text{m}$ (o pulso viaja até lá e volta).
An ultrasound pulse returns 60 microseconds after transmission, with a speed of sound of 1500 m/s. How deep is the boundary, in cm? · Um pulso de ultrassom retorna 60 microsegundos após a transmissão, com velocidade do som de 1500 m/s. Qual a profundidade da interface, em 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. Divida por dois: o pulso viajou até lá E de volta. Esquecer o 2 resulta em 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.
Por pulsos, e por que megahertz
- O transdutor envia um pulso curto e depois escuta. Todo eco deve chegar antes que o próximo pulso saia, caso contrário ecos de pulsos diferentes não poderiam ser distinguidos, e o cristal não pode transmitir e receber ao mesmo tempo.
- A frequência é um compromisso. Uma frequência mais alta significa comprimento de onda menor e detalhes mais finos, melhor resolução 分辨率.
- Mas uma frequência mais alta também é atenuada mais fortemente, então um órgão profundo precisa de uma frequência mais baixa do que um superficial.
- A ultrassonografia médica usa de $1$ a $15\ \text{MHz}$, resultando em comprimentos de onda de fração de milímetro nos tecidos.
A higher ultrasound frequency has which effects? Select all · todos that apply. · Uma frequência de ultrassom mais alta tem quais efeitos? Selecione todos os aplicáveis.
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. · A reflexão é determinada pelo desajuste de impedância, não pela frequência. A escolha da frequência é um compromisso entre resolução e penetração, portanto órgãos profundos são escaneados com frequências mais baixas.
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: $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$.
Impedância acústica específica
- A impedância acústica específica 声阻抗 de um meio é o produto de sua densidade e da velocidade do som nele.
- Ambas as quantidades devem ser nomeadas para os dois pontos. "Quão difícil é para o som passar" não pontua nada.
- A densidade 密度 sozinha não decide: água e tecido mole têm composições muito diferentes e praticamente o mesmo $Z$, e é $Z$, não densidade, que determina quanto reflete.
- Para tecido mole: $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$.
Acoustic impedance Z = density × ____. · Impedância acústica Z = densidade × ____.
$Z = \rho c$ — density times the speed of sound in the medium. · $Z = \rho c$ — densidade vezes a velocidade do som no meio.
Match each boundary to what happens to the pulse. · Associe cada interface ao que acontece com o pulso.
Imaging needs the middle case. The gel exists to convert the first case into the third at the skin. · A imagem requer o caso do meio. O gel serve para converter o primeiro caso no terceiro na pele.
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
Quanto reflete em uma fronteira
- Em uma fronteira entre impedâncias $Z_1$ e $Z_2$, o coeficiente de reflexão de intensidade 强度反射系数 é
- Impedâncias muito diferentes refletem quase tudo, que é o problema pele-ar.
- Impedâncias muito semelhantes refletem quase nada, então a fronteira é invisível.
- O caso útil para imagens fica no meio: diferente o suficiente para dar um eco, similar o suficiente para que o pulso continue até a próxima fronteira.
O desajuste é o eco
Ultrasound scan route · Rota de exame por ultrassom
Follow a pulse from transducer to echo image. · Siga um pulso do transdutor até a imagem de eco.
Two media with very similar acoustic impedance give almost no echo. · Dois meios com impedância acústica muito semelhante dão quase nenhum eco.
The reflected fraction depends on the impedance difference; similar impedances reflect very little, so the boundary is hard to see. · A fração refletida depende da diferença de impedância; impedâncias semelhantes refletem muito pouco, tornando a interface difícil de ver.
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.
Exemplo resolvido: por que o gel não é opcional
- O ar tem $\rho = 1.29\ \text{kg/m}^3$ e $c = 343\ \text{m/s}$. O gel tem $Z = 1.50\times10^{6}$ e o tecido mole tem $Z = 1.63\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$. Compare a reflexão em uma fronteira ar-tecido e uma fronteira gel-tecido.
- $Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$, que é menor que a do tecido por um fator de quase $4000$.
- Ar-tecido: $\left(\dfrac{442 - 1.63\times10^{6}}{442 + 1.63\times10^{6}}\right)^2 = 0.9989$, então $99.9\%$ reflete e apenas $0.1\%$ entra no corpo.
- Gel-tecido: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^2 = 0.0017$, então apenas $0.2\%$ reflete.
- O gel substitui o ar por algo cuja impedância combina quase perfeitamente com a pele, permitindo que quase todo o pulso entre, e os ecos saiam da mesma forma.
The coupling gel between the probe and the skin: · O gel de acoplamento entre a sonda e a pele:
Without it, the huge skin–air impedance difference would reflect almost all the ultrasound at the surface. · Sem ele, a enorme diferença de impedância pele-ar refletiria quase todo o ultrassom na superfície.
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? · O gel possui Z = 1.50e6 e o tecido mole possui Z = 1.63e6 kg/(m^2 s). Qual é a porcentagem da intensidade refletida na interface entre o gel e o tecido?
((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, ou seja, 0.17%. Na interface ar-tecido, a mesma fórmula resulta em 99.9%, razão pela qual o gel não é opcional.
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.
Atenuação
- O ultrassom enfraquece conforme viaja, pela mesma lei exponencial que rege raios-X e decaimento radioativo:
- $\mu$ é o coeficiente de atenuação do meio, e uma frequência mais alta tem um $\mu$ maior, que é o compromisso por trás da escolha da frequência.
- Para encontrar uma espessura, use logaritmos: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$.
- Atenção às unidades: $\mu$ em $\text{cm}^{-1}$ exige $x$ em cm. Misturá-las é o erro padrão e resulta em uma resposta errada por um fator de $100$ no expoente.
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.
Marcas que escapam
- Dobre a distância no cálculo de pulso-eco. O pulso vai e volta.
- $Z = \rho c$ exige que ambos densidade e velocidade sejam nomeados na definição.
- A fórmula de reflexão usa a diferença sobre a soma, elevada ao quadrado. Esquecer de elevar ao quadrado muda completamente a resposta.
- O gel ajusta as impedâncias, ele não "ajuda o som a viajar". Diga o que ele substitui e por quê.
- Frequência mais alta proporciona melhor resolução, mas mais atenuação. Uma pergunta sobre um órgão profundo está pedindo esse compromisso.
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
Entendeu?
- um cristal piezoelétrico muda de forma sob uma d.d.p. e gera uma f.e.m. quando sua forma muda, então um único transdutor tanto envia quanto detecta
- a imagem por pulso-eco fornece profundidade a partir de $d = ct/2$ e tipo de tecido a partir da intensidade do eco
- impedância acústica específica é $Z = \rho c$, e $I_R/I_0 = \left(\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\right)^2$, por isso uma lacuna de ar reflete $99.9\%$ e o gel é essencial
- o ultrassom é atenuado à medida que $I = I_0 e^{-\mu x}$, e uma frequência maior troca melhor resolução por pior penetração