Medizinische Bildgebung
Ultraschall, Röntgen, Computertomographie und MRT mit physikalischen Hintergründen
Ultraschall, Röntgen, Computertomographie und MRT mit physikalischen Hintergründen
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Cartes-fiches
Elektromagnetische Strahlung Formel für Frequenz
\(\nu = \frac{c}{\lambda}\)
Elektromagnetische Strahlung: Energie
- \(E = h\cdot \nu\)
- \(h\): Planck'sches Wirkungsquantum
Eletromagnetische Strahlung:
Verfahren mit ionisierender Strahlung
- Röntgen
- Spektroskopie
- PET
Eletromagnetische Strahlung:
Verfahren mit ionisierender Strahlung - Strahlungsarten
- Röntgenstrahlung
- Alphastrahlung
- Betastrahlung
- Gammastrahlung (harte Röntgenstrahlung)
- Neutronenstrahlung
Ultraschall:
elastische Medien
mögliches Auftreten:
- Longitudinalwellen
- Transversalwellen
Weil Atome längs bzw. quer zur Schallausbreitung schwingen
Ultraschall:
Gase und Flüssigkeiten
- nur Existenz von Longitudinalwellen
- weil keine Scherkräfte möglich sind
Ultraschall:
biologisches Gewebe
Meist wie zähe Flüssigkeit.
Ultraschall:
Einleitung
- meist Echoimpulsverfahren
- auch zur Stoßwellentherapie genutzt
- 16 kHz - 1 GHz
Ultraschall:
Stoßwellentherapie
Beseitigung von Steinen:
- Rissbildung
- Wasser dringt ein
- Unterdruck der Stoßwelle
- Blasen implodieren
Ultraschall:
Andere Verwendungszwecke
- Echolot
- Materialprüfung
- Materialbearbeitung
- Materialreinigung
Ultraschall:
Größenordnungen: Intensität
gemittelt
\(I < 100 \frac{mW}{cm^2}\)
Ultraschall:
Größenordnungen: Druck
gemittelt
\(p < 0{,}6\cdot 10^5 Pa\)
Ultraschall:
Größenordnungen: Auslenkung
gemittelt
\(s < 2 \cdot 10^{-6} mm\)
Ultraschall:
Größenordnungen: Schnelle
gemittelt
\(v < 3{,}5 \frac{cm}{s}\)
Ultraschall:
Größenordnungen: Beschleunigung
g = 9,81 m s-2
105g
Ultraschall:
Größenordnungen: Frequenz
\(\nu\): MHz
Ultraschall:
Größenordnungen: Geschwindigkeit
c: 1500 1/s
Ultraschall:
Größenordnungen: Wellenlänge
λ: 1mm
Ultraschall:
Erzeugung
Piezoeffekt
- elastische Verformung fester Körper
- dadurch Auftreten elektrischer Spannung
Ultraschall:
Schallausbreitung
- Hookesches Gesetz
- Teilchenauslenkung << λ
- Wärmetransport zu vernachlässigen
- wegen schneller Änderung der Zustandsgrößen
- Wellengleichung
Hookesches Gesetz
- rücktreibende Kraft ist proportional zur elastischen Deformation dV eines Volumenelements V
- Druckänderung
- \(dp = -K \frac{dV}{V}\)
- \(K\): Kompressionsmodul
- \(\kappa = K^{-1}\) : Kompressibilität
Wellengleichung
- \(p(x,t) = p_0\sin(\omega t-kx)\)
- D'Alembertsche Wellengleichung
- Phasengeschwindigkeit des Schalls
Ultraschall:
Schallgeschwindigkeit
\(v_{Ph} = c= \sqrt{K/\rho}\)
Ultraschall:
Schallschnelle und Schallimpedanz
- \(v\): Schallschnelle
- Zeitableitung der Teilchenauslenkung
- \(Z = \frac{dp}{v} = \rho c\): Schallimpedanz
Ultraschall:
Energiedichte und Intensität
- Intensität ist Leistung pro Fläche
- Energiedichte gegeben durch max. kin. Energie der schwingenden Teilchen
\(I = \frac{1}{2}c\rho v^2_{\max}\)
Ultraschall:
Verhalten an Grenzflächen: Grundlage
Energieerhaltung
Ultraschall:
Verhalten an Grenzflächen: Glatte Grenzfläche
- Teilweise Reflexion (und Brechung) an Grenzflächen zwischen Medien unterschiedlicher Impedanz
- Impedanzunterschiede weicher Gewebearten gering → Hauptanteil tritt durch
Ultraschall:
Verhalten an Grenzflächen: Streuung
Vorkommen auch an kleinen Inhomogenitäten mitten im Gewebe
Ultraschall:
Verhalten an Grenzflächen: Streuung: a >> λ
- geometrisch
- Streuquerschnitt σ ∼ ω0
- stark
- Beispiel
- Gefäße
Ultraschall:
Verhalten an Grenzflächen: Streuung: a ≈ λ
- stochastisch
- mittel
- Beispiel
- Leber
Ultraschall:
Verhalten an Grenzflächen: Streuung: a << λ
- Rayleigh
- Streuquerschnitt σ ∼ ω4
- schwach
- Beispiel:
- Blut
Ultraschall:
Dämpfung:
Absorption
- Intensität sinkt längs der Ausbreitungsrichtung
- \(I(x) = I(0) e^{-\mu x}\)
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: Ausgangspunkt
Von allen Punkten eines endlich (b) großen Schallerzeugers ausgehende Kugelwellen
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: Ziel
Intensität abhängig vom Winkel berechnen
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: Kugelwellen
- haben Gangunterschiede
- zwischen Rändern: \(d\)
- interferieren miteinander
- \(I_{\varphi} \propto b^2(\sin^2(\frac{\pi d}{\lambda})^2\)
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: Beugungsbild von Wellen am Spalt
sinc2-förmige Intensitätsverteilung
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: kreisförmige Schallerzeuger
- Durchmesser (Apertur) D
- Winkel α zum 1. Minimum
- sin α ≈ α ≈ 1,22λ/D
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: große Apertur D
enge Fokussierung
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: Ortsauflösungsvermögen
- umgekehrt proportional zu λ
- Durchmesser des Beugungsmuster/Schallbündels ∆x proportional zu λ
Ultraschall:
Abstrahlcharakteristik: längere Wellen
- geringere Schwächung
- schlechtere Auflösung