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Physics of Ultrasound

Physics of Ultrasound. 고려대학교 구로병원 강 대 현 kangsono@naver.com. 30,000,000 Hz. Diagnostic Medical Ultrasound. 1,000,000 Hz. Ultrasound. 20,000 Hz. Audible sound. 20 Hz. Infra-sound. 0 Hz. What is the Ultrasound…?. Frequency over 20kHz (20,000Hz), sound wave. 초음파의 역사.

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Physics of Ultrasound

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Presentation Transcript

  1. Physics of Ultrasound 고려대학교 구로병원 강 대 현 kangsono@naver.com

  2. 30,000,000 Hz Diagnostic Medical Ultrasound 1,000,000 Hz Ultrasound 20,000 Hz Audible sound 20 Hz Infra-sound 0 Hz What is the Ultrasound…? Frequency over 20kHz (20,000Hz), sound wave

  3. 초음파의 역사 • SONAR : SoundNavigating andRanging • 1822, Daniel Colladen, Swiss physicist-Lake Geneva의 물속에서 소리의 속도를 정확히 측정하기 위해 underwater bell을 사용 • 1877, Lord Rayleigh“The Theory of Sound”-the physics of sound vibrations (wave)의 기초 • 1880, Pierre Curie and Jacques Curie, France“Piezo-electric effect”발견

  4. 초음파의 이용 • 1912, Titanic -150kHz • World war I – the purpose of underwater navigation by submarines(U-boat) • 1940년대 이후 medical ultrasounic system 출현

  5. 의료초음파의 이용 • early1960s, A-mode scan-cephalometry and placental localization(Europe, Britain, US, Japan, China, USSR, Poland and Australia)

  6. 초음파 진단의 장.단점 • Advantage - non destructive, non invasive, no pain - no hazard to human - soft tissue 묘사 탁월 - free choice to scan direction and plane - blood flow, cardiac valve motion관찰 가능 - compact size, freely mobile - 검사즉시 결과를 알 수 있다. • Disadvantage - limitation to diagnosis by gas, bone, obese patient

  7. Limitation of diagnosis

  8. Nature of sound • Definition of sound "Sound is the sensation perceived by the sense of hearing" – General definition : too limited in describing medical ultrasound. “Sound ismechanical energytransmitted bypressure waveina material medium” - Medical definition : all type of sound, including audible sound, low-frequency seismic waves, and ultrasound used in diagnostic imaging.

  9. Compression & Rarefaction Compression Rarefaction Amplitude

  10. Definition of sound • Sound is… • A form of energy : 소리가 전달 될 때 energy를 운반한다. 즉, 소리가 전달되는 경로에 있는 물체를 전.후로 움직인다 (vibration) • Mechanical energy : 매질내의 분자나 입자의 물리적 움직임 형태로 소리가 전달된다. • Material medium : 소리는 분자나 입자가 포함된 매개체 만을 통과 할 수 있다. 때문에소리는 진공 상태에서는 전파 될 수 없다. • Sound wave란 매질내의 입자의 compressions and rarefactions의 반복으로 이루어 진다. • Sound 는 mechanical, longitudinal wave로 직선상으로 전파 된다.

  11. Propagation speed • 음파가 매체를 통과하는 속도를 파의 전파속도 (propagation speed)라 한다. = sound’s speed, velocity of sound, acoustic velocity • Units : meters per second, mm/ ㎲ – any unit of distance/time. • The speed of sound는 매질의 특성-경도와밀도(stiffness and density) -에 의해 영향을 받는다. • Propagation speed is not affected by the sound source and cannot be changed by the Sonographer. • 모든 음은 주파수와 상관없이 특정한 매질내 에서는 동일한 속도로 투과한다. • 전파속도(m/sec)=주파수(Hz)×파장(m)

  12. 음의 속도(propagation speed) • 액체 또는 인체조직내에서 종파의 음속 B : 종적 탄성율(bulk modulus), 경도(stiffness : 압력에 대한 물질의 저항)  : 밀도(density) [kg/m3] • 매질내에서의 음속은 매질의 경도와 밀도에의존

  13. Depends upon the density and stiffness of each medium In single medium, all sound waves travel at the same speed. Propagation speed is..

  14. The propagation speed determined by acombination of density(밀도) and stiffness(경도) • Materials that are very stiff but not dense will have the fastest speed. (bone – high speed) • Materials that are very dense but not stiff have the slowest speed. (air – low speed) • 매질의상태: 기체<액체<고체 • 매질의밀도(density) • 매질의 경도(stiffness) • 매질의탄력성(elasticity) • 매질의 압축성(compressibility) • 매질의 점도(viscosity) • 매질의 온도(temperature)

  15. All sound, regardless of the frequency, travels at thesame speedthrough any specific medium • Air : 330 m/sec • Lung : 600 m/sec • Fat : 1,460 m/sec • Mercury : 1,450 m/sec • Water : 1,480 m/sec • Soft tissue : 1,540 m/sec • Muscle : 1,600 m/sec • Lead : 2,400 m/sec • Skull bone : 4,080 m/sec • Aluminum : 6,400 m/sec

  16. 초음파의 종류 • Continuous wave : 혈류속도, 방향 측정 등의 혈류검사를 하는 Doppler 초음파검사에 이용 • Pulsed wave : 음파의 짧은 펄스를 이용, 임상에서 사용하는 일반진단 초음파의 대부분을 차지.

  17. 초음파 영상의 형성(Formation of image) • Principles of Ultrasound image formation

  18. Pulsed Ultrasound • 영상초음파에서 연속파는 영상을 만들 수 없기 때문에, 아주 짧은 펄스의 음향에너지(acoustic energy)가 만들어져서 매질 내에서 반사된 신호를 transducer 가 받아 들여서 영상을 만든다. • A pulse of sound is a collection of cycles that travel together.  A pulse must have a beginning and an end; otherwise it is a continuous wave. • Components of a pulse: • The cycles (“transmitting”, “on”, or “talking” time) • Dead time (“receiving”, “off”, or “listening” time)

  19. Simple interface C D T Echo signal Time Reflector distance Pulsed Ultrasound – Range equation

  20. Pulsed Ultrasound • The range equation Go-return time = T : go – return time (time of flight) D : reflector distance c : speed of sound in medium Depth (reflector distance) = velocity of sound  time of flight/2 • Echo에 의한 반사체의 정확한 위치표시 • 소리의 속도와 시간 정보를 거리변환에 사용 • 연부 조직에서의 반사체의 거리 ( 음속 :1,540m/s = 0.154cm/us) D= c×T/2 :

  21. Go-return time in soft tissue • Speed of sound = 1,540 m/sec

  22. Interaction between US and materials • Reflection (반사) • Refraction (굴절) • Absorption (흡수) • Scattering (산란)

  23. Reflection (반사) : 밀도(density)가 다른 두 매질의 경계면에서 발생 * 초음파의 반사율 결정인자 조직의음향저항 (acoustic impedance) • 초음파의 입사각도 • (angle of incidence)

  24. Acoustic impedance(음향저항) : the acoustic resistance to sound traveling through a medium. ( 음이 매질을 통과 하는데 에 대한 음향저항) , Z • 단위 : kg/㎡/sec = rayl • Impedance 는 매질만의 특성으로, 각 매질은 고유의 음향저항을 갖고 있다. Impedance(Z) = density () propagation speed(c) • Density는 소리가 진행하는 매질의 특성이고, Propagation speed도 매질의 특성이다. 그런고로, Impedance는 medium 의 고유 특성이다. • A medium has a high impedance when • It is very dense and/or • It has a fast propagation speed • Impedance of biologic tissue ranges from 1.25 ~ 1.75 MRayls. • Impedances are important in the physics of reflection. *초음파 검사 시 gel을 바르는 이유? : Probe와 피부사이의 계면(interface)에 의한 음향저항을 없애기 위함.

  25. 초창기의 초음파 장비

  26. Water-bath Scanner SSD 1, Aloka in 1960

  27. Specular reflectionsare produced when an ultrasound wave strikes a smooth surface. Scattering(=non specular)is the random redirection of sound waves in multiple directions. Scattering is produced when ultrasound waves strike a rough surface. Rayleigh scatteringis a form of scatter occurring when sound scatters systemically in all directions. This occurs when sound strikes a red blood cell or small intracellular particles. 모든 형태의 산란은 정반사와 함께 생성된 약 한 back and Rayleigh를 포함한다. Backscatter(=diffuse scattering)is scatter returning in the general direction of the transducer Reflection and incidence

  28. Incident intensity transmitted intensity Reflected intensity Boundary Reflection and Transmission(반사와 투과) • Incident intensity • Reflected intensity • Transmitted intensity • Units: W/㎠ • Incident(starting) intensity = reflected intensity + transmitted intensity • 임상에서는 연부 조직사이에서 transducer 로 반사되는 intensity는 매우 작고(1% or less),그 외에는 투과해서 계속 진행한다. • 연부 조직과 bone사이에서는 30~50%의 반사파 강도를 갖는다. • 연부 조직과 air사이에서는 거의 전반사가 일어난다.

  29. Boundary *At the boundary between two tissues: 1) If the IRC and ITC are added together, the result is 100% 2) If the reflected and transmitted intensities are added together, the sum equals the incident intensity. *There is “conservation of intensity”(강도보존 법칙) at a boundary *Total reflection: IRC 100% and ITC 0% *Total transmission: IRC 0% and ITC 100% 100 % ITC(%) IRC (%)

  30. Perpendicular sound beam incidence 수직입사에 의한 반사파의 강도(reflected intensity)는 두 매질의 impedance차에 의해 결정 *Intensity reflection coefficient(%) = reflected intensity(W/㎠)/transmitted intensity(W/㎠)100 R = ×100 = ×100 R : amplitude reflection coefficient(%) (음속의 반사율) : incident pressure amplitude : reflected pressure amplitude : impedance on the proximal side : impedance on the distal side Medium 1 Z₁ Medium 2 Z₂

  31. 예) 흉벽을 통해 폐를 초음파 검사할 경우의 반사율은? (흉벽 의 음향 임피던스는 1.75 MRayl, 폐의 음향 임피던스는 0.0004 Mrayl 이다) R = (1.75 – 0.0004 / 1.75 + 0.0004)X100 = 99.9 %

  32. 예)지방과 간의 경계면에서의 반사 계수를 계산하라. • 지방의 음향 임피던스(Z1)는 1.34106 rayl, 간의 음향 임피던스(Z2)는 1.65106 rayl이다.

  33. Transmission with normal incidence • ITC(투과강도계수)는 두 매질의 경계를 통과한 후의 초음파 강도 비율.(수직 입사 시) Range from 0% ~100% Range from 0 ~ 1.0 • 투과 후 강도– 두 매질이 같은 음향저항을 가졌을 때 전부 투과, 반사가 없다. *투과강도계수= 100% - 반사강도계수 = 투과강도(W/㎠)/입사강도(W/㎠) 100 • In clinical ultrasound imaging, 99% or more of the incident energy is transmitted forwardat a boundary between soft tissues

  34. Transmission with normal incidence • Same frequency, different wavelength (different medium ; different impedance) ⇒ Different propagation speed Medium 1 Medium 2

  35. Reflection artifacts • Reverberation

  36. Reflection artifacts • Mirroring effect

  37. Reflection effects • Hepatic vein wall echo, • bile ducts, • pancreatic duct

  38. Summary - 초음파의 반사 • 초음파 선속 의 반사는서로 다른 음향 임피던스를 가지는 두 조직의 경계면에 입사될 때 일어난다. • 음향 임피던스의 차이는음속의 변화, 밀도의 변화또는 둘 다에 의해 일어날 수 있다. • 반사파의 크기와 반사된 에너지의 비율은 경계면에서의음향 임피던스 차에 따라 달라진다. • 음향 임피던스의 차가 작은 경계면 보다는 그 차가 큰 경계면에서 반사가 더 잘 일어난다. • 두 가지의 연부 조직에 의해 생성된 경계면에 대한 임피던스 차이는 작으며,반사계수는 대체로 0.1보다 작다.

  39. Reflection and transmission with oblique incidence : 사방향 입사에 의한 투과와 반사는 대단히 복잡한 물리적 정의를 갖는다. 사방향 이란 경계면과 초음파 선속이 90도가 아닌 상태를 말한다. • 사방향 입사시 투과와 반사는 일어날 수도 있고 일어나지 않을 수 도 있다. • 입사각(incident angle)이란 두 조직의 경계에 수직인 법선과 입사 선속이 이루는 각도(angle of incidence) • 반사각(reflection angle)이란 두 조직의 경계에 수직인 법선과 반사 선속이 이루는 각도(angle of reflection) • 반사가 발생 하면, 입사각 = 반사각

  40. Refraction(굴절) : 두 물질 사이의경계 면에 초음파가 사방향 으로 입사할 경우, 두 매질의 밀도 차에 의해 sound beam의 진행방향이 바뀌는 것으로, ① Different propagation speeds(전파속도의 차이)와 ② Oblique incidencebetween the sound wave and the boundary (초음파와 두 물질 경계 사이에 사방향 입사)에 의해 발생한다.

  41. Refraction Medium 1 Medium 1 Medium 2 Medium 2

  42. 스넬의 법칙(Snell’s Law) • c1을 경계면에서 입사된 빔의 음속,c2를 경계면에서 투과된 빔의 음속,  i를 입사된 빔의 입사각,  t를 투과된 빔의 투과각이라 하면, 스넬의 법칙은 다음과 같다. • Sine transmission angle/Sine incident angle = propagation speed of medium 2/ propagation speed of medium 1 • defines the physics of refraction. 굴절 음 의 속도와 진행방향(투과음의 속도와 진행방향).

  43. medium 1 medium 2 medium 1 medium 2 A (prop. Speed 1 prop. Speed2) B (prop. Speed 1> prop. Speed2) Transmission angle • When propagation speed 2 is greater than propagation speed 1 – transmission angle is greater than the incident angle B. When propagation speed 2 is less thanpropagation speed 1 - transmission angle is less than the incident angle

  44. 굴절되는 방향의 이해에 도움을 주기 위한 예 A B 굴절 되는 방향의 이해에 도움을 주기 위한 예. A와 같이 빠른 부분(포장도로)에서 느린 부분(비포장도로)으로 이동하는 자동차는 그림처럼 자동차의 방향이 변화된다. B와 같이 느린 부분에서 빠른 부분으로의 진행은 반대의 효과가 발생한다. 만일 자동차가 경계 면에 수직으로 들어 온다면, 변화가 발생하지 않는다.

  45. 30입사각에 대한 투과빔 방향의 변화

  46. 법선 Medium 1 Incident beam Reflected beam Transmitted beam Medium 2 Critical angle (임계각) • 임계각은 전반사를 일으킬 수 있는 최소의 입사각으로, 경사계면에서의 굴절현상으로 인한 입사 선속의 총반사 현상을 말한다. 이것은 투과 선속의 각도가 계면과 평행한 상태를 말하는 것으로, 이때 투과 선속이 법선에 대해 수직을 이룬다. 임계각은 매질2의 음속이 매질1 보다 클때 일어나며, 반대의 경우는 일어나지 않는다. • CAR(Critical angle reflection) • Grazing effect

  47. Critical angle 의 응용

  48. Principle of edge shadowing artifacts V1 V1 V2 V2 V1<V2 V1>V2 Fetal skull : amniotic fluid(V1) < fetal head(V2) Cyst : soft tissue (V1) > cyst (V2)

  49. Edge shadowing artifacts Caused by refraction

  50. Absorption (흡수) : Acoustic energy to heat energy Determined by : Frequency(주파수) Viscosity(점도) Relaxation time(이완시간)

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