Echo schedel  van baby (door de fontanellen)

Principes van echografie

                                                                                                 

Ultrageluid

In de echografie gebruikt men ultrasoon geluid (= ‘ultrageluid’).

 

De laatste term geeft aan dat de echografie geluidsgolven gebruikt met een hoge frequentie, voor mensen niet hoorbaar. Vooral omdat veel echo’s gemaakt worden om beelden van een embryo te maken, is er een tijd discussie geweest over de te kiezen frequentie.

 

 

Echotoestel

Echo foetus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vraag 1

a  Wat geldt voor de golflengte van ultrasoon geluid, vergeleken met hoorbaar geluid?

b  Waarom is het extra verstandig om naar die hoge frequentie te kijken?

c  Welke eigenschap van geluid, behalve de frequentie, beļnvloedt ook de mogelijke schadelijkheid?

 

 

Apparatuur

De ultrageluidsgolven worden via een transducer het lichaam ingezonden. In de transducer bevindt zich een groot aantal zogenaamde piėzo-elementen, naast elkaar, die de benodigde geluidsgolven produceren. De elementen liggen niet in een plat vlak, maar hebben bij elkaar een vorm, die lijkt op een negatieve lens. Hierdoor worden de geluidsgolven geconcentreerd, wat door elektrische lenzen nog meer versterkt wordt.

 

 

Transducers

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Geluidsgolven gedragen zich in diverse opzichten als watergolven: ze kunnen zich om een voorwerp buigen, erop weerkaatsen of worden

voor een deel doorgelaten. De echografie is gebaseerd op deze eigenschappen van geluidsgolven.

De transducer vangt ook alle weerkaatste geluidsgolven op. Uit het tijdsverschil tussen uitzending en ontvangst berekent die computer de

‘diepte’ van het grensvlak van het geluid.

De ontvangen geluidsgolven worden omgezet in elektrische signalen en verwerkt door de computer, zodat uiteindelijk een beeld op een beeldscherm

wordt gevormd.

Echografie geeft een directe weergave van beweging, functie en anatomie van het lichaam.

 

Afhankelijk van het onderzoek, gebruikt men verschillende typen transducers (zie foto). Sommige types

produceren relatief lage frequenties, andere zeer hoge frequenties. Geluidsgolven met lage frequenties

penetreren het lichaam dieper dan geluidsgolven met hoge frequenties.

Ook zijn sommige transducers aangepast aan het lichaamsdeel dat onderzocht wordt. Voor bijvoorbeeld

beelden van de baarmoeder, eierstokken of prostaat gebruikt men transducers die in het lichaam worden

ingebracht.

 

Vraag 2

a  Leg uit of je voor een beeld van de nieren ultrageluid met een hoge of met een lage frequentie zou gebruiken.

b  Dezelfde vraag voor een beeld van een zichtbare ader.

 

Geluidssnelheden in het lichaam

 

verandert de geluidssnelheid dus, terwijl ook een deel van het geluid wordt teruggekaatst. Het niet teruggekaatste deel gaat verder en wordt voor een
De voortplantingssnelheid van geluidsgolven hangt sterk af van het medium waarin de golf zich voortplant. Belangrijk zijn de mate waarin dat medium ingedrukt kan worden en de dichtheid van de stoffen in dat medium.
Voor het lichaam betekent dit dat in een stevig weefsel met een grote dichtheid de geluidssnelheid groter is. Bij de overgang tussen twee weefsels deel weer bij het volgende grensvlak teruggekaatst et cetera.
Het menselijke lichaam bestaat voor het grootste deel uit water, waardoor de geluidssnelheid van de meeste organen ongeveer in de buurt ligt van de geluidssnelheid van water (ongeveer 1,5 km/s). Longen bestaan voor het grootste deel uit lucht en in longen is de geluidssnelheid dan ook laag.
In botten daarentegen is de geluidssnelheid erg hoog.
De geluidssnelheden in het menselijk lichaam verschillen genoeg om voldoende verschil in de patronen van terugkaatsing te geven. Zie de volgende tabel.

 

 

Medium

Geluidssnelheid (m/s)

Lucht

331

Water

1485 – 1526

Bot

3600

Zenuwweefsel

1508 – 1667

Spier

1548 – 1632

Lever

1538 – 1580

Nier

1564

Milt

1556 – 1577

Borst

1442 – 1546

Bloed

1562

Vet

1462 - 1473

Geluidssnelheid in diverse media

 

 

Internationaal is afgesproken te rekenen met een gemiddelde geluidssnelheid in het menselijk lichaam van 1540 m/s. Maar zoals de tabel laat zien,

kan de snelheid in de diverse weefsels flink variėren.
Apparatuur is gekalibreerd op die afgesproken waarde van 1540 m/s. Dit geeft in de praktijk dus enigszins vervormde beelden.

Neem als voorbeeld de geluidssnelheid in vet (1462 m/s – 1473 m/s). Deze waarde ligt duidelijk onder 1540 m/s. De echo doet er dus langer over

om gedetecteerd te worden en de computer geeft een iets te grote vetlaag aan.

Het tegengestelde effect doet zich voor bij de lever (snelheid 1538 m/s - 1580 m/s) en bij een spier (1548 m/s – 1632 m/s). Deze onderdelen worden

daardoor iets te klein afgebeeld.

De ontstane onnauwkeurigheid loopt op tot ongeveer 5%.

 

Reflectie of refractie?

Met een geluidsgolf die van het ene medium naar het andere gaat, gebeurt het volgende:

-           een deel van de golf gaat gebroken verder in het andere medium (refractie).

-           een deel wordt teruggekaatst (reflectie) behalve als de golf loodrecht invalt. In dat geval gaat de hele bundel ongebroken verder.

 

Voor terugkaatsing en breking gelden de volgende formules, die ook voor lichtstralen gelden:

 ·        

·         Terugkaatsing: ·hoek van inval = hoek van terugkaatsing  ą    Š i = Š t

·         Breking:               

Waarin: n = brekingsindex en v1, v2 = geluidssnelheden in de twee media

Bij het grensvlak tussen twee organen breken geluidsstralen voor een

deel en kaatsen voor een deel  terug

 

De teruggekaatste golf is geeft de echo. Voor detectie is minimaal 1% reflectie nodig. Maar ook teveel reflectie is slecht, want dan blijft er te weinig

intensiteit over om de volgende organen te detecteren.

Lucht is berucht in dit opzicht, want tussen lucht en weefsel wordt maar liefst 99% van de binnenkomende golf gereflecteerd.

Bij overgang van een minder dicht medium (geluidssnelheid kleiner) naar een dichter medium (geluidssnelheid groter) kan zelfs totale reflectie optreden.

Dan treedt er dus geen breking op. De kleinste hoek van inval waarbij dit optreedt, noem je de grenshoek.

Bij een overgang van een dichter medium naar een minder dicht medium treedt nooit totale reflectie op.

 

Vragen

3  Uit de tabel hiervoor blijkt dat de geluidssnelheden in de borst verreweg de grootste verschillen vertoont. Leg uit dat je de oorzaak hiervoor bij vrouwen moet zoeken.

 

 

4  Bij de foto van het echografieapparaat zie je ‘gel’ staan, het betreffende onderdeel zie je hierboven vergroot. Leg uit waarom hier gel gebruikt wordt.

 

5  Waardoor is het moeilijk om een goede echo van de darmen te maken?

 

6  (Zie afbeelding 1) Is de geluidssnelheid in het medium van de inkomende golf groter of kleiner dan de geluidssnelheid in het uitgaande medium? Motiveer je antwoord.

 

7  a  Een geluidsgolf valt onder een hoek van 35o in bij een overgang van vet naar spier. Bereken de brekingshoek r.

b  Een andere geluidsgolf valt onder een hoek van 70o in bij een overgang van vet naar spier. Onderzoek hoe de golf verder gaat.

 

8  Leg uit of de brekingsindex bij een overgang van een dichter medium naar een minder dicht medium groter of kleiner dan 1 is.

 

9  Bereken de grenshoek bij de overgang van vet naar spier.

 

10  a  Zoek de geluidssnelheden in lucht en in water op.

b  Zoek de lichtsnelheden in lucht en in water op.
c  Wat valt je op en welk verschil volgt hieruit tussen de breking van licht en die van geluid?


 

Dopplereffect

 

Een bekend verschijnsel op de cartbaan en bij een ambulance. Als het voertuig op je afkomt, hoor je een hogere toon dan als het voertuig van je wegrijdt. De richting waarin het voertuig rijdt is dus bepalend. Bij de ambulance zijn de bijbehorende golven getekend. Je noemt dit het dopplereffect.

 

 


 

 

 

Het dopplereffect wordt ook toegepast bij de radarcontrole langs de wegen. Een zender zendt radargolven uit, die terugkaatsen op de rijdende auto. De teruggekaatste golven hebben een hogere frequentie en worden opgevangen door een antenne. Uit het verschil tussen de frequenties wordt de snelheid van de auto berekend.
Dit principe wordt ook toegepast bij echografie, maar dan met ultrageluid. Een belangrijke toepassing is de meting van de stroomsnelheid van bloed (zie hierna bij ‘Het beeld’).

 

 

 

 

(Demo)proef Doppler op het schoolplein

Aan een touw, waarvan je de lengte kunt variėren, is een geluidsbron bevestigd (bijvoorbeeld een buzzer die op een batterijtje werkt). Het touw wordt snel rondgedraaid, de waarnemers staan ongeveer 2 meter buiten de draaicirkel.

-          Leg uit wat is er te horen is.

-          Voorspel wat er gebeurt als er sneller gedraaid wordt en wat er gebeurt met een langer touw.

-          Controleer of deze voorspellingen kloppen.