INOM
EXAMENSARBETE TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP
STOCKHOLM SVERIGE 2021,
Utvärdering av en billig
ultraljudsmaskin med avseende på bildkvalitet och temperaturökning
YULIA DRAGUNOVA JOAKIM ANDERBERG
KTH
Detta examensarbete har utförts på AlbaNova, institutionen för tillämpad fysik på Kungliga Tekniska Högskolan.
Handledare på institutionen för tillämpad fysik: Martin Viklund
Utvärdering av en billig ultraljudsmaskin med avseende på bildkvalitet och temperaturökning
Evaluation of a Cheap Ultrasound Machine with Respect to Image Quality and Temperature Increase
Y U L I A D R A G U N O V A J O A K I M A N D E R B E R G
Examensarbete inom medicinsk teknik Grundnivå, 15 hp
Handledare på KTH: Tobias Nyberg, Mattias Mårtensson Examinator: Mats Nilsson
Kungliga Tekniska Högskolan Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa
SE-141 86 Flemingsberg, Sweden http://www.kth.se/cbh
2021
Sammanfattning
Ultraljudsdiagnostik baseras på propagering av mekaniska vågor och används för att avbilda tvärsnitt av kroppen i realtid. Prestandan, med avseende på kontrast, upplösning och
måttmätningar, av CONTEC CMS600B-3, en relativ billig maskin är av intresse. Hur
volymen av en fantom, dess ytarea och frekvens på utskickade vågor påverkar uppvärmningen av vävnader är även av intresse. Det undersöktes med ultraljudsmaskinerna CONTEC
CMS600B-3 och Philips Lumify för att få resultat som inte beror på endast en maskin.
Axiella upplösningen på CONTEC CMS600B-3 uppmättes med hjälp av ett gem till 0,61 mm och den laterala upplösningen till 1,27 mm med hjälp av ett snitt i cement. Maskinens
måttmätningar hade en relativ avvikelse 3,3 % − 16,4 % beroende på mätning. Resultat för reflektionskoefficienten visade att ultraljudsmaskinen har en funktion som kompenserar för attenuering och förstärker signaler med låga amplituder.
Temperaturmätningarna undersöktes genom att skapa fantomer som efterliknar mänskliga vävnader med olika volymer och ytareor. En undersökning med ultraljudsmaskinerna visade att mer temperaturökning sker då ytarean ökas när volymen hålls konstant. Med avseende på säkerhet i temperaturökning, axiell upplösning och area/omkrets mått uppfyller CONTEC CMS600B-3 inte standarden och kan därmed inte användas inom sjukvården.
Nyckelord: Ultraljud, Temperaturökning, Spatial upplösning, Reflektion, B-mode
Abstract
Diagnostics with ultrasound are based on propagation of mechanical waves and is used for imaging cross-section of the body in real-time. Performance, regarding contrast, resolution, and size measure, of CONTEC CMS600B-3, a relatively cheap machine is of interest. How volume of a phantom, its surface area, and frequency of the waves affects the heating of the tissues is also of interest. It was measured using ultrasound machines CONTEC CMS600B-3 and Philips Lumify to obtain results independent of the machine used.
The axial resolution of CONTEC CMS600B-3 was established with a paperclip to be 0.61 mm and the lateral resolution was measured to be 1.27 mm using concrete with a triangular slit. Measurements of the machine had a relative deviation was 3.3% − 16.4% depending on the measure. Results of the reflection coefficient indicated that CONTEC CMS600B-3 has a built-in function that compensates for loss of intensity due to attenuation and amplifies signals with lower amplitude to produce a B-mode image that the user can understand.
Temperature measurements were done on phantoms that mimic the human body with different volumes and surface areas. An investigation with ultrasound machines showed an increase in temperature with increased surface area as the volume is held constant. When looking at safety with temperature rise, axial resolution and area/circumference
measurements, CONTEC CMS600B-3 does not meet the standard and therefore cannot be used in healthcare.
Keywords: Ultrasound, Temperature Increase, Spatial Resolution, Reflection, B-mode
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Mål ... 1
2 Bakgrund ... 3
2.1 Utrustning och fysik ... 3
2.2 Spatial upplösning ... 6
2.3 Risker ... 8
3 Metod ... 9
3.1 Kontroll av måttmätningar ... 9
3.2 Uppskattning av laterala upplösning ... 9
3.3 Uppskattning av axiella upplösning ... 10
3.4 Uppskattning av reflektionskoefficient ... 11
3.5 Temperaturmätning ... 11
4 Resultat ... 13
4.1 Kontroll av måttmätningar ... 13
4.2 Uppskattning av laterala upplösning ... 14
4.3 Uppskattning av axiella upplösning ... 15
4.4 Uppskattning av reflektionskoefficient ... 16
4.5 Temperaturmätning ... 19
5 Diskussion ... 23
6 Slutsats ... 29
7 Referenser ... 31 Bilagor
Bilaga 1: Fantom byggda enligt metod Bilaga 2: Ultraljudsbilder för kontroll av mått
Bilaga 3: Ultraljudsbilder för att kontrollera upplösning och bild på transducerns uttag Bilaga 4: Ultraljudsbilder för att kontrollera reflektion
Bilaga 5: Rådata för temperaturmätningar Bilaga 6: Analyserad temperaturdata
1 Introduktion
Ultraljudsdiagnostik är en avbildningsmetod som används i ofta inom sjukvården.
Undersökningen används under graviditeten för att följa fostrets växt, men även för att avbilda andra organ och vävnader som blindtarmen, levern, muskelvävnader och hjärtat [1].
Ultraljudsavbildning baseras på mekaniska ljudvågor som skickas in i kroppen från en transducer. Den reflekterade signalen som detekteras används för att bygga upp en bild av insidan av kroppen. Till skillnad från andra avbildningsmetoder som röntgen, CT och PET är ultraljud säkrare då patienten ej utsätts för någon strålning eller radioaktiva substanser [2].
Priserna på ultraljudsapparater varierar på marknaden. De ultraljudsmaskiner som används inom sjukvården är oftast från tillverkarna GE Healthcare och Philips där priserna kan variera mellan $25,000 och $250,000 och medelpriset är $115,000 [3]. År 2014 köptes det in en ultraljudsmaskin från tillverkaren CONTEC av institutionen för tillämpad fysik på
Kungliga Tekniska Högskolan (KTH). CONTEC är ett kinesiskt företag och deras maskiner är betydligt billigare än de maskiner som används inom sjukvården just nu.
Ultraljudsmaskinen CONTEC CMS600B-3 Portable Full Digital Ultrasound Scanner Machine (kommer refereras till som CONTEC CMS600B-3) som köptes av KTH hade vid inköpstillfället priset $2,229.00. Uppdragsgivaren Martin Viklund, professor på KTH, är intresserad av prestandan av den specifika maskinen. Det är av intresse att veta ifall billigare maskiner i jämförelse med de som används inom sjukvården idag kan leverera samma kvalitet utan att orsaka risk för patienten. Syftet med projektet är att undersöka om billigare maskiner kan uppnå prestandan som krävs för att kunnas användas inom sjukvården.
I dagsläget anses ultraljudsdiagnostik vara säker så länge maskinens termiska index (TI) och mekaniska index (MI) är inom specifika gränser [4]. Det är av intresse att undersöka hur uppvärmning i kroppen under ultraljudsundersökning påverkas av utskickade vågens frekvens, undersökningstiden, volym av kroppen och ytarean av patienten runt transducern som undersöks. Det är speciellt av intresse när ultraljud används vid undersökning av foster och om fostrets storlek är en påverkande faktor. Det andra syftet av projektet är därmed att undersöka huruvida ultraljud är säkert under hela undersökningstiden. För att undersöka om uppvärmningen av kroppen är beroende av ytarea, volym och frekvens kommer
ultraljudsmaskinerna CONTEC CMS600B-3 och Philips Lumify att användas där den andra nämnda ultraljudsmaskinen är tillverkad av företaget Philips.
1.1 Mål
Första målet med projektet var att utvärdera om ultraljudsmaskinen CONTEC CMS600B-3 uppnår tillräcklig bra prestanda enligt standarder för att användas inom diagnostik med avseende på upplösningsförmåga och kontrast. Det andra målet var att redogöra hur
uppvärmningen från transducern har en relation till volym av kroppen, ytarea, frekvens och användningstiden av ultraljudsmaskinerna CONTEC CMS600B-3 samt Philips Lumify.
2 Bakgrund
Ultraljudsdiagnostik baseras på mekaniska vågor som skickas ut av en transducer och
propagerar i raka linjer genom kroppen. När vågen stöter på förändring i materialet byter den riktning och genomgår en partiell reflektion på gränsen mellan de två olika materialen. Då kroppen är uppbyggd av olika vävnader och strukturer kommer vågen att genomgå
reflektion, refraktion, diffraktion, absorption och attenuering vilket kan användas för att bygga upp en bild av den avbildade delen av kroppen. En förändring i material resulterar i ett eko av vågen som skickas tillbaka till transducern [5]. Med antagandet att ljudvågor
propagerar genom mjukvävnad med hastigheten 1540 m/s kan detta användas för att bestämma djupet av gränsskiktet mellan olika vävnader för att skapa en bild [5].
Det finns olika avbildningstekniker som kan användas inom ultraljud: A-mode, B-mode, M- mode samt Doppler mode. Ultraljudsmaskinen CONTEC CMS600B-3 har teknikerna B- mode samt M-mode. B-mode är den tekniken som används mest inom diagnostiken där amplituderna av varje eko omvandlas till en gråskaleintensitet som används för att bygga upp en 2D-bild. M-mode är en teknik som används för avbildning av hjärtat och visar hur placeringen av de reflekterande ytorna av en avbildning varierar med tiden i sekunder [5].
Figur 2 visar ultraljudsbilder av figur 1 i B-mode och M-mode, tagna med CONTEC CMS600B-3.
2.1 Utrustning och fysik
Ultraljud använder sig av ljudvågor och sambandet mellan våglängd (𝜆) som mäts i enheten meter, hastigheten av ljudet i materialet (c) som mäts i meter per sekund, samt frekvensen av vågen (f) som är antalet cyklar per sekund är viktig. Ekvation (1) visar sambandet [6].
𝑐 = 𝜆𝑓 (1)
Transducer
En transducer omvandlar elektrisk energi till mekaniska vågor och för att åstadkomma omvandlingen använder sig en transducer av den piezoelektriska effekten. Tranducern omvandlar även mottagna mekaniska vågor till elektrisk energi. Den säger att särskilda
Figur 1. En optisk bild av fantom som användes för att ta en ultraljudsbild i B-mode och M-mode. Material som används är cement och trä i vatten i en pappersmugg.
Figur 2. Två ultraljudsbilder tagna på fantom från figur 1. Till vänster är B-mode och till höger är M-mode.
material kommer under mekanisk stress att skapa en elektrisk signal och om material utsätts för en elektrisk signal kommer material att deformeras [6]. En transducer består av tre viktiga komponenter: kristallelement med piezoelektriska egenskaper, backing layer och matching layer. Backing layer-material har en hög akustisk impedans och hög absorption för att absorbera bakåtgående ultraljudsvågor. Ett bra backing layer-material kan dämpa
vibrationer inuti transducern och därmed kan pulser med en kort spatial pulslängd uppnås.
Matching layer är ett gränsskikt mellan de piezoelektriska elementen och vävnaden som ger en nödvändig övergång i akustisk impedans för att minimera energiförluster [6].
En standard linjär array transducer innehåller 64-250 piezoelektriska element där endast cirka 20 av dem aktiveras samtidigt men antalet beror på ultraljudsmaskinen som används [7]. Det producerar en ultraljudsstråle som detekteras och därefter aktiveras nästa sekvens av transducerns element [5, 7]. Linjära array transducers används ofta för att undersöka strukturer nära huden som nacke, bröst och lemmar [5]. CONTEC CMS300B-3 är ett exempel på en linjär transducer. En annan vanlig transducer som används är en kurvlinjär transducer. Den är uppbygd på samma sätt som en linjär transducer men skillnaden är att den är böjd på framsidan och brukar ha 128 element [7]. En böjd yta resulterar i en större scanningsyta som kan nå ett större djup. En sådan transducer används ofta inom fosterdiagnostik och inom bukdiagnostik [5]. Philips Lumify transducer som användes i projektet är ett exempel på en kurvlinjär transducer.
B-mode
Ultraljudsbilden i B-mode skapas i realtid samtidigt som undersökningen pågår vilket gör ultraljudsdiagnostiken användbar för att se insidan av kroppen och göra relevanta mätningar.
En B-mode bild som visas på skärmen är en tvärsnittsbild av kroppen där ekot från
gränssnittet mellan olika vävnader syns. Varje ekopunkt presenteras som en punkt i bilden och den punkten visar positionen av vävnaden som avbildas i tvärsnitten i kroppen. Det är alltså en tvådimensionell, gråskalebild som visas där gråskalenivåer är relaterat till styrkan av ekon som reflekteras från gränssnitt i kroppen. Ljusare punkter innebär större reflektion i vävnaden medan mörkare punkter innebär absorption av ljudvågen eller frånvaro av
reflektion. För att en B-mode bild ska kunna skapas krävs det information om avståndet mellan målet och transducern samt position och orientering av transducern. Avståndet räknas ut genom att använda pulsekoprincipen där tiden det tar för transducern att få tillbaka ekot efter att en ljudvåg skickas ut mäts. Då det är flera reflektioner som uppstår i kroppen kommer en pulsekosekvens att genereras där olika ekon detekteras vid olika tider efter att pulsen skickades ut av transducern [8].
Akustisk impedans, reflektion och transmission
Om en ultraljudsvåg möter ett gränsskikt mellan två olika medier vinkelrätt mot ytan
kommer en del av vågens energi att reflekteras till transducern och en annan del av energi att transmitteras vidare in i kroppen [5]. Andelen av energin som reflekteras beror på den akustiska impedansen av de två materialen vid gränslinjen. Akustiska impedansen räknas ut enligt ekvation (2).
𝑍 = 𝜌𝑐 (2)
I ekvation (2) ovan är Z [Rayl] eller [kg/m!/s] den akustiska impedansen i materialet, 𝜌
Tabell 1. Akustiska impedanser för olika vävnader. Hämtade från [10, 11].
Akustiska impendanser för utvalda vävnader
Vävnad Z [kg/m!/s] Z [MRayl]
Vatten 1,48 × 10# 1,48
Ben 6,47 × 10# 6,47
Mjukvävnad 1,63 × 10# 1,63
Bröstvävnad 1,54 × 10# 1,54
Luft 430 0,00043
Eftersom säkerheten av ultraljudsmaskinen utvärderades i projektet kunde inte vävnader från en människa användas för experiment. Istället användes material med liknande akustiska impedanser när reflektion och transmission undersöktes. Tabell 2 nedan sammanställer några material med akustiska impedanser nära människan.
Tabell 2. Akustisk impedans av material som kan ersätta vävnader. Hämtade från [11, 12, 13].
Utvalda material som fungerar för vävnadsubstitution
Material Z [MRayl]
Agar-agar baserad lösning 1,55 − 1,76
Gelatin baserad lösning 1,60 − 1,73
Tofu 1,61
Trä (ask) 1,7 − 1,8
Cement 8,2
Akustisk impedans kan även uttryckas med hjälp av densitet och styvhet K av materialet enligt ekvation (3)[5].
𝑍 = =𝜌𝐾 (3)
Ekvationerna (2) och (3) visar att akustiska impedansen endast är beroende av materialet och är oberoende av egenskaper av mekaniska vågen som till exempel frekvensen [5].
Reflektionskoefficienten beskriver andelen av vågens intensitet som kommer att reflekteras vid ett gränsskikt mellan två olika medier. Reflektionskoefficienten kan beräknas enligt ekvation (4).
𝑅 = (𝑍!− 𝑍$)!
(𝑍!+ 𝑍$)! (4)
I ekvation (4) är R är reflektionskoefficinten, Z1 den akustiska impedansen som ljudvågen går från och Z2 är den akustiska impedansen för mediet som ljudvågen går till [5].
Transmission är den delen av vågen som inte reflekteras i gränsskiktet utan transmitteras vidare in i kroppen. Transmission, T definieras enligt ekvation (5).
𝑇 = 1 − 𝑅 (5)
I ekvation (5) ovan är R reflektionskoefficienten. För att en stor del av vågen ska fortsätta vidare i kroppen krävs det att akustiska impedanser mellan de olika materialen i ett gränsskikt är relativt lika [5]. Eftersom luft och mjukvävnad har väldigt olika akustiska impedanser används en gel vid ultraljudsundersökning som eliminerar luftbubblor som kan orsaka reflektion och attenuering mellan transducern och huden [6].
Attenuering
När en ultraljudsvåg propagerar genom ett medium kommer vågen att förlora energi på grund av bland annat absorption och spridning i mediet vilket är proportionellt mot avståndet som vågen rör sig [6]. För att beskriva ultraljudvågens intensitet används decibelskalan [14].
𝑑𝐵 = 10 log ( 𝐼
𝐼% ) (6)
I ekvation (6) är 𝐼% referensintensiteten och I är den sökta intensiteten. För att räkna ut vad decibelvärdet är och därmed totala kvarvarande energi i vågen kan ekvation (7) användas [14].
𝑑𝐵 = −𝛼𝑑 (7)
I ekvation (7) är 𝛼 attenueringskoefficienten som beskriver den relativa förlusten av intensiteten i decibel per centimeter av vågens propageringssträcka och är specifik för det givna mediet [14]. Om det är av intresse att ta hänsyn till den totala sträckan vågen
propagerar från transducern till målet och samma avstånd tillbaka kan högerledet i ekvation (7) multipliceras med en faktor 2. Variabeln d [cm] beskriver avståndet från transducern till det reflekterade mediets djup. Attenuering kommer även att vara beroende av frekvensen som den propagerande vågen har [6]. För att räkna ut attenueringskoefficienten 𝛼 kan tabell 3 användas som utgångspunkt.
Tabell 3. Attenueringskoefficient för valda vävnader. Hämtade från [6].
Attenueringskoefficienter vid frekvensen 1MHz
Vävnad 𝛼[dB/cm]
Vatten 0,0002
Mjukvävnad 0,3 − 0,8
Ben 13 − 26
Lunga 40
För mjukvävnad brukar värdet 𝛼 = 0,5 dB/cm användas. För att hitta 𝛼 för en annan frekvens ska värdet i tabellen multipliceras med faktor med vilken den önskade frekvensen är högre eller lägre än 1 MHz. Om transducer använder sig av frekvensen 7,5 MHz
multipliceras värdet från tabell 3 med 7,5 [6].
2.2 Spatial upplösning
Inom ultraljud är det tre faktorer som påverkar den spatiella upplösningen och förmågan att se detaljerade objekt i bilden: den axiella-, laterla- och elevationsupplösningen [6]. Enligt manualen för CONTEC CM3006-B är den axiella upplösningen ≤ 1 𝑚𝑚 på ett djup ≤ 40𝑚𝑚 och den laterala upplösningen är upplösningen ≤ 2 𝑚𝑚 på ett djup ≤ 40𝑚𝑚 [15].
Som en utgångspunkt för krav på spatial upplösning för en ultraljudsscanner kan ”Standards for the provision of an ultrasound service” av The Royal College of Radiologists and the Society and College of Radiographers som tillämpas i Storbritannien användas. Enligt standarden krävs det en axiell upplösning på mindre än 0,5 mm och en lateral upplösning
Axiell upplösning (AU)
Axiella upplösningen är det minsta avståndet mellan två objekt längst med riktningen av ultraljudsvågen som kan urskiljas på en bild. Axiella upplösningen definieras som en halv spatial pulslängd (SPL), där spatiala pulslängden är produkten mellan våglängden och antal cyklar i en puls (N). Ekvationen för den axiella upplösningen kan då skrivas enligt ekvation (8) utifrån ekvation (1) [17]:
𝐴𝑈 = 1
2𝑆𝑃𝐿 = 1
2𝜆𝑁 = U𝜆 = 𝑐 𝑓V = 𝑐
2𝑓 𝑁 (8)
I ekvation (8) är N antalet cykler som brukar vara tre stycken men varierar med olika transducer och hur bra dämpningen i backing layer-materialet i transducern är. Från definitionen av axiell upplösning fås det att kortare pulser kommer att ge en högre axial upplösning. Det kan åstadkommas dels genom att använda sig av ett mer dämpande backing layer-material, men även genom att använda högre frekvens, och eventuellt färre cykler [6].
Lateral upplösning (LU)
Den lateral upplösningen är förmågan att särskilja på två närliggande objekt vinkelrätt mot ultraljudvågens riktning. Bredden av strålen utsänd av transducern bestämmer den laterala upplösningen och eftersom strålen kommer att ändra tjocklek med djupet är den lateral upplösning beroende av djupet [6]. För att förbättra den laterala upplösningen kan man placera fokalpunkter som fokuserar strålen på ett visst djup och därmed förbättrar den laterala upplösningen. Den laterala upplösningen är begränsad av diffraktionen och vi kan därmed uppskatta den genom att använda ekvationen för en enkelspalts diffraktion enligt ekvation (9) [18].
𝑦& = 𝑥𝑚𝜆
𝑎 = {𝑚 = 1} = 𝑥𝜆
𝑎 ( 𝑦& ≪ 𝑥) (9)
I ekvation (9) är ym avståndet från mitten till mörka strecken av ordning m i meter, x är avståndet från spalten till skärmen i meter och 𝜆 är våglängden i meter. Eftersom i den laterala upplösningen är det punkter som ligger närmast varandra som är av intresse sätts 𝑚 = 1 i ekvationen. Ekvation (9) kan skrivas om som ekvation (10) för att uppskatta laterala upplösningen i en ultraljudsbild:
𝐿𝑈 = 2𝐹𝜆
𝐿= U𝜆 = 𝑐
𝑓V = 2𝐹 𝑐
𝑓𝐿 (10)
I ekvation (10) är F fokalpunktens djup, det vill säga avståndet mellan transducern och mätningsplatsen och L är längden av de aktiva elementen i transducern. Ekvationen utan faktor 2 överstämmer med Rayleigh upplösningskriterium och kan användas när det är tillåtet att punkterna sammanfaller lite. Faktorn 2 framför ekvationen är där eftersom det totala avståndet mellan det vänstra punkten och högra punkten från centrum vill mätas om diskreta punkter är av intresse för att bildpunkterna inte ska överlappa. Ekvation (10) är en omskrivning av ekvation (9) av projektutförare.
2.3 Risker
Enligt samma standard som användes i sektion 2.2 är det ett krav att ultraljudsmaskinen skriver ut på skärmen under undersökningens gång vad termiska indexet och mekaniska indexet uppskattas till. De två värdena ska överensstämma med American Institute of Ultrasound in Medicine eller Electrical Manufacturers Association Display Standard [16].
Termisk index (TI)
Energin som attenueras i vävnader orsakar ökning av temperatur. Om det finns ben i området som undersökningen görs på kommer det resultera i högre absorption av energi eftersom ben absorberar ultraljud väl oberoende av frekvensen som används. Enligt Duck och Shaw är det problematiskt att teoretiskt räkna ut hur mycket temperaturökning som kommer att ske i vävnaderna under en ultraljudsundersökning [20]. Dessutom har värdena som rapporteras i litteraturstudier stora variationer. Temperaturmätningar och termisk index tas därför fram genom att använda fantomer som efterliknar människovävnader. Termisk index (TI) används som en uppskattning av temperaturökning som sker i undersökningsområdet av kroppen och definieras enligt ekvation (11) [20].
𝑇𝐼 = 𝑊
𝑊'() (11)
I ekvation (11) är Termiska indexen innebär maximala ökningen i temperatur i kroppen under en undersökning i en genomsnittlig person utan att hänsyn till olika fysiologiska aspekter är tagna. Eftersom det är svårt att uppskatta Wdeg i kroppen har den delats upp i tre delar: TIS (termisk index av mjukvävnader), TIB (termisk index där ben är i fokus) samt TIC (termisk index av ben vid huden där undersökningen görs). Alla tre termiska indexar kommer att bero linjärt på akustiska effektiviteten men TIS kommer dessutom bero på frekvensen eftersom absorptionen i mjukvävnader är beroende av frekvensen. Enligt
Manualen för CMS600B-3 är den TIS för B-mode undersökning vid frekvensen f = 7,5 MHz lika med 0,6. TIB och TIC är inte specificerade [15].
Risker i samband med temperaturökning
Den vanliga temperaturen för människokroppen är ungefär 37℃ och effekter på kroppen med temperaturökning är presenterade i tabellen under. Tabell 4 visar de olika biologiska effekter i samband med temperturökning [20].
Tabell 4. Effekter på kroppen vid ökad temperatur. Hämtade från [20].
Vad som händer i kroppen vid olika temperaturer
Temperatur [℃] Möjlig risk
37 − 39 Inga skadliga effekter
39 − 43 Skadliga effekter efter längre tid
> 41 Skadligt för fostret efter längre tider
44 − 46 Koagulering av proteiner
> 45 Denaturering av enzymer
3 Metod
För alla delar av projektet var det B-mode bilder som togs. Material som användes för alla sektioner nedan om inget annat är angivet var Agar-Agar pulver (E406), refereras till som agar, kranvatten samt CONTEC CMS600B-3 med inställningar redovisade i tabell 5.
Tabell 5. Inställningar på CONTEC CMS600B-3 som användes om inget annat anges i metod med en kort förklaring till vad varje betyder. Hämtade från [15].
Inställning FREQ:
7,5MHz FPIN: 2 D3 FR: 35
LO POWER:
100% FMAVG:
0,45 BGAIN:
27/40 Betydelse Frekvensen av
utskickade ultraljudsvågor
Antal fokalpunkter
(2) och placering
Frame rate / bild- frekvens
Power Frame
korrelation Totala gain (40)
Tillverkning av agar lösning
För att skapa 1 dl av agar lösning med fast konsistens användes följande mått: ¾ tesked (tsk) agar pulver samt 100 ml kranvatten av rumstemperatur. Det första steget var att blanda agar med vatten i en kastrull och sedan låta det stå i 10 minuter. Därefter kokades lösningen upp till 100℃ under konstant omrörning och sedan hälldes den i behållaren för fantom där den skulle stå utan omrörning i 12 timmar.
3.1 Kontroll av måttmätningar
För att kontrollera att ultraljudsmaskinen CONTEC CMS600B-3 mäter längd, area och omkrets korrekt en fantom med en rund askträbit med diameter 30 mm och tjockleken 12 mm. Träbiten limmades på kanten till botten av en pappersskål och 2,5 dl agar lösning hälldes på. Den andra fantomen som tillverkades var en askträbit med diameter 13 mm och tjocklek 9 mm. Träbiten och pappersnålen limmades ner på botten av en pappersskål. Nålens längd var 10 mm. 2 dl agar hälldes i pappersskålen. Fantomen kan ses i bilaga 1, figurer 1 och 2. Med hjälp av ekvationerna för cirkelns omkrets och cirkelns area räknades omkrets och area av askträbitarna ut. Fantomen transporterades till laborationssalen där arean, omkretsen och diametern av träbiten mättes med ultraljudsscanner. På den andra fantomen med en pappersnål mättes även längden av metallbiten på nålen. Areamätningen och
omkretsmätningen gick till på följande sätt: knappen A/C trycktes, därefter trycktes 2 för att välja ellips och sedan placeras ellipsens kors med hjälp av hjulet på ultraljudsmaskinen i mitten på objektet som skulle undersökas. Slutligen trycktes ENTER för att placera korset och hjulet användes för att placera ut kanterna av ellipsen. Diametermätning gick till på följande sätt: knappen DIST. trycktes ned, därefter efter att första punkten placerades trycktes Ref. och därefter placerades andra punkten på andra änden av avståndsträckan.
Värdena uppmätta på ultraljudsmaskinen jämfördes med de teoretiska verkliga värden och relativ avvikelse räknades ut genom att dividera skillnaden mellan verkliga och uppmätta värdet med verkliga värdet och multiplicera med 100 %.
3.2 Uppskattning av laterala upplösning
För att utvärdera den laterala upplösningen tillverkades en bit cement genom att blanda 5 tsk Modelling Concrete pulver tillsammans med 1 tsk vatten. Cementen utformades till en rektangel med längden 3 cm, bredden 3 cm och tjockleken 1 cm. Med hjälp av en kniv skars
en kilformad skåra ut. Skårans dimensioner uppmättes till en topp bredd på 1.55 mm, ett djup på 7,03 mm och en minsta bredd inuti skåran på 0,75 mm. Efter 24 timmar när
cementen hade stelnat placerades cementbiten i ett vattenbad i en plastskål med skåran riktad uppåt. Djupet av vattnet anpassades sedan att avståndet från toppen av cement biten till vattenytan var 1 cm. En metallcylinder med en känd diameter på 1,4 mm placerades ovanpå cementbiten parallellt med snittet. En bild på cementbiten finns i bilaga 1, figur 3.
När uppställningen var färdig placerades transducern över skåran vinkelrätt mot metallbitens riktning. För att få den bästa möjliga laterala upplösningen placerades en fokalpunkt i
skårans djup med hjälp av inställningarna på ultraljudsmaskinen. Efter att bilderna var tagna behandlades de i Microsoft Paint 2004 (Microsoft, Redmont, WA, USA) där bilden
förstorades upp och pixlarna kunde urskiljas mellan varandra. För tydlighet markerades pixlarna som räknades med olika färger i programmet Microsoft Paint. Med hjälp av metallbiten av en känd storlek kunde det räknas ut vad en pixels bredd motsvarande för längd av objektet på bilden. Med hjälp av det kunde det minsta synliga avståndet mellan skårans väggar räknas ut genom att räkna antalet pixlar precis innan väggarna inte går att särskilja längre och multiplicera antalet med längden för en pixel vilket är den laterala upplösningen. För att kontrollera hur många piezoelektriska element transducern har drogs uttaget från transducern som kopplas till ultraljudsmaskinen ut och antalet peggar vid kopplingen räknades. Bild på peggarna finns i bilaga 3, figur 2. För att räkna ut den teoretiska laterala upplösningen användes ekvation (10) där aktiva elementets längd, L, räknades ut genom att dividera trasnducerns längd med antalet element och multiplicera med antalet aktiva element. Motsvarande uträkning gjordes även med antagandet att transducern har 128 element eftersom det inte är en garanti att en peg motsvarar ett element. Omskriven ekvation (10) med uppmätta värdet på laterala upplösningen användes för att räkna ut aktiva elementets längd vilket användes för att uppskatta hur mycket procent av transducern är aktivt. Värdet användes vidare för att uppskatta antalet aktiva element i transducern.
3.3 Uppskattning av axiella upplösning
För att utvärdera den axiella upplösningen hängdes ett koppargem på en fiskelina som var fäst på två motsatta kanter av en pappersmugg med hjälp av tejp. Pappersmuggen fylldes med 37℃ vatten tills gemet var på 2 cm djup. Eftersom gemet är böjd var den en minskning i avstånd mellan de olika delar av gemet där minsta avståndet var 0 mm. Gemets bredd vad lika med 7,1 mm och användes som referensmått. En bild på gemet hängandes i fiskelinan finns i bilaga 1, figur 4. Transducern placerades ovanför gemet parallellt med dess riktning.
Ultraljudsbilden togs och analyserades i Microsoft Paint där samma teknik som beskriven i metoden för laterala upplösningen tillämpades. Eftersom största avståndet var känt kunde det användas som referens för pixelstorleken och där man slutade se de olika delar av klämman antogs vara den axiella upplösningen. Då gemet hängde snett i fiskelinan användes
Pythagoras sats för att räkna ut antalet pixlar i referenslängden. Det uppmätta värdet för den axiella upplösningen jämfördes med det teoretiska värdet som räknades ut med ekvation (8) och antagandet att det är 3 cykler i en puls. Det praktiska värdet för antalet cykler i en puls räknades genom att använda uppmätta värdet för axiell upplösning och en omskrivning av ekvation (8).
3.4 Uppskattning av reflektionskoefficient
Två fantomer tillverkades för att utvärdera bildkvalitetsförmågan med avseende på kontrast för CONTEC CMS600B-3. Den första fantomen hade en askträbit med en diameter på 1,8 cm och en höjd på 3,4 cm. 5 tsk cementpulver blandades med 1 tsk vatten. Cementen formades runt om träbiten på ena hörnet av träbiten till en ring. Den totala diametern inklusive träet och cementen var 4 cm och cementens höjd var 0,5 cm. Träbiten med
cementen placerades i en plastskål som fylldes med 2 dl agar lösning och djupet från toppen av cementen uppmättes till 2 cm. En bild på träbiten i cement finns i bilaga 1, figur 5. Den andra fantomen som byggdes var en rund askträbit med diameter 3 cm och tjocklek 0,6 - 0,7 cm som limmades fast på botten av en plastskål. Rakt ovanför träbiten placerades tofu med diameter 2,9 cm och tjocklek 0,9 – 1 cm. Bild på fantomen i agar lösning finns i bilaga 1, figur 6. Slutligen fylldes skålen med 3 dl agar lösning. Båda fantomerna undersöktes med CONTEC CMS600B-3 där en ultraljudsbild togs uppifrån fantomen. Ultraljudsbilden behandlades sedan i MATLAB 9.9.0.1495850 (MathWorkds Inc., Natick, MA, USA) med hjälp av att kolla på intensitetsvärdet på olika pixlar för att uppskatta
reflektionskoefficienten. Bildbehandlingsfunktionen ’impixel’ användes i MATLAB för att välja vilka pixlar gråskalenivån ska visas för. Totalt valdes 18 pixlar och medelvärdet av dessa räknades ut. Medelvärdet dividerades med maximala gråskalevärdet, 256, och
multiplacerades med 100 % för att få en uppskattning på reflektionskoefficient och därmed kontrasten på gränsskiktet. Teoretiska reflektionskoefficienten räknades ut för olika
fantomer med hjälp av ekvation (4) där värdena för olika material togs från tabell 2. För gränsskiktet mellan agar-cement räknades attenueringen ut med hjälp av ekvationerna (6) och (7) och värden från tabell 3 som multiplicerades med teoretiska värdet för
reflektionskoefficienten. För gränsskikt mellan liknande material (trä-tofu, agar-tofu) räknades även det teoretiska värdet för pixelintensitet genom att multiplicera teoretiska reflektionskoefficienten med 256.
3.5 Temperaturmätning
För denna del skapades ett flertal fantomer av agar lösning med känd volym och ytarea. I laborationssalen fick fantomerna värmas upp till rumstemperaturen (17,0 − 21,0℃) innan mätningarna påbörjades. Varje mätning för denna del av projektet gjordes två gånger: en gång med CONTEC CMS600B-3 och en gång med Philips Lumify. Transducern sattes fast i ett stativ med klämma för att få den stående på samma plats under hela mätningen. Mellan varje mätning fick fantomen samt transducern kylas ner tillbaka till rumstemperaturen. Om inget annat anges användes följande inställningar på de två ultraljudsmaskiner. CONTEC CMS600B-3 med frekvens: 7,5 MHz och power: 100% samt Philips Lumify med depth: 16 cm och power: -0,3 dB. Alla mätningarna gjordes under 30 minuter långa perioder med mätningar av innertemperaturen med hjälp av termometer Thermapen MK4 (Electronic Temperature Instruments Ltd., West Sussex, UK) efter följande tider i minuter efter att ultraljudsundersökningen påbörjades: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 20, 25, 30. För att mäta transducerns uppvärmning användes IR-kamera FLIR TG165 (FLIR Systems,
Wilsonville, OR, USA). Temperaturen av vissa fantoms yta mättes efter undersökningen var över med en IR kameran.
Uppvärmning av mjukvävnad
För att undersöka uppvärmningen av mjukvävnad byggdes fantom med agar lösning i olika pappersbehållare. Totalt gjordes sex olika fantom: 1 dl agar i pappersmugg, 2 dl agar i pappersmugg, 1 dl agar i pappersskål, 2 dl agar i pappersskål, 1 dl agar i papperstallrik och slutligen 2 dl agar i papperstallrik. Färdiga fantom med uppmätta diametern av ytarean finns
i bilaga 1, figur 7 och figur 8. Ytarean var något annorlunda för de olika volymer i samma behållare med räknades ut som medelvärdet för de två behållarens ytareor för att kunna se hur temperaturökningen är beroende av ytarea när volym och frekvens hålls konstanta.
Datainsamlingen påbörjades då transducern fästes i klämman på stativen och tryckets mot fantomens yta. Temperaturen mättes sedan i fantomen på 1 cm djup rakt under transducern och på fantom i pappersmugg gjordes ytterligare en mätning av temperaturen på 3 cm djup.
På fantom med 1 dl agar i tallrik gjordes mätningen vid botten av fantomen. Djup av varje fantom räknades ut genom att dividera volymen med ytarean.
Uppvärmning av ben
För att undersöka uppvärmningen av ben inuti vävnaden skapades det två olika fantomer där bit av ett kycklingben placerades i botten av en pappershållare. Vardera behållare fylldes med en agar lösning till ett djup av 1,8 cm och 0,5 cm på vardera behållare. Djupet är räknat från toppen av benet till ytan av agar lösningen. Datainsamlingen påbörjades då transducern fästes i klämman på stativen och tryckets mot fantomens yta. Temperaturen mättes sedan på benets yta rakt under transducern.
Uppvärmning av transducer
För att undersöka hur mycket själva transducern värms upp under undersökningens gång placerades transducern på ett stativ och transducern riktades sedan rakt upp i luften och temperaturen mättes med FLIR TG165.
Uppvärmning beroende på frekvens
För att undersöka skillnaden i uppvärmningstemperaturer beroende på vilken frekvens som används av CONTEC CMS600B-3 vid undersökning användes fantomen med 2 dl agar i pappersmugg. Undersökningen utfördes sedan tre gånger med följande frekvenser: 6,5 MHz, 7,5 MHz och 8,5 MHz. Datainsamlingen gjordes på 1 cm djup och 3 cm djup. Med hjälp av ekvationera (6) och (7) räknades attenueringen i fantomerna på olika djup ut för de olika frekvenser.
Uppvärmning beroende på djup inställning
För att utvärdera om och i så fall hur uppvärmningen förändras beroende av inställningarna av djupet på Philips Lumify användes fantomen med 2 dl agar i pappersskål. Temperaturen uppmättes sedan 1 cm under transducern och undersökningen gjordes tre gånger med inställningarna 3 cm djup, 16 cm djup och 27 cm djup.
4 Resultat
Nedan har resultat för de olika metodavsnitt redovisats samt relevanta uträkningar.
4.1 Kontroll av måttmätningar
Figur 1 i bilaga 2 visar ultraljudsbilden av fantomen med den lilla träbiten och nålen i agar som tillverkades enligt sektion 3.1. I bilden syns endast träbiten. Tabell 6 sammanfattar resultaten.
Tabell 6. Verkliga och uppmätta mått för den lilla träbiten.
Verkliga mått och uppmätta mått för lilla träbiten
Verkligt mått Uppmätt mått
Diameter 𝑑*+,(-,/(01*+) = 12 𝑚𝑚 𝑑*+,(-,23 = 12 𝑚𝑚 Omkrets 𝑂*+,(-,/(01*+) = 40,8 𝑚𝑚 𝑂*+,(-,23 = 37 𝑚𝑚 Area 𝐴*+,(-,/(01*+) = 132,7 𝑚𝑚! 𝐴*+,(-,23 = 111 𝑚𝑚!
Skillnaderna mellan verkliga och uppmätta värden med ultraljudsmaskinen sammanfattas nedan i tabell 7.
Tabell 7. Absolut och relativ skillnad mellan verkliga och uppmätta värden för diameter, area och omkrets för den lilla träbiten i agar.
Absolut och relativ skillnad mellan verkliga och uppmätta värden Absolut skillnad Relativ skillnad [%]
Diameter 1 𝑚𝑚 7,7
Area 21,7 𝑚𝑚! 16,4
Omkrets 3,8 𝑚𝑚 9,3
Figur 2 i bilaga 2 visar ultraljudsbilden av fantomen med lilla träbiten och pappersnålen i agar som tillverkades enligt sektion 3.1. I bilden syns endast pappersnålen. Längden av metallbiten av pappersnålen på ultraljudsmaskinen uppmättes till 𝑙-å*,23 = 10 𝑚𝑚. Nålens längd mättes innan fantomen skapades till 𝑙-å*,/(01*+) = 10 𝑚𝑚 vilket innebär att verkliga värdet och värdet som mättes på ultraljudsmaskinen är lika.
Figur 3 i bilaga 2 visar ultraljudsbilden av fantomen med stora träbiten i agar som tillverkades enligt sektion 3.2. Tabell 8 sammanfattar resultaten.
Tabell 8. Verkliga och uppmätta mått för den stora träbiten.
Verkliga mått och uppmätta mått för stora träbiten
Verkligt mått Uppmätt mått
Diameter 𝑑5,60,/(01*+) = 30 𝑚𝑚 𝑑5,60,23 = 31 𝑚𝑚 Omkrets 𝑂5,60,/(01*+) = 92,2 𝑚𝑚 𝑂5,60,23 = 99 𝑚𝑚 Area 𝐴5,60,/(01*+) = 706,9 𝑚𝑚! 𝐴5,60,23 = 795 𝑚𝑚!
Tabell 9 sammanfattar skillnaderna mellan verkliga värden och teoretiska värden.
Tabell 9. Absolut och relativ skillnad mellan verkliga och uppmätta värden för diameter, area och omkrets för den stora träbiten i agar.
Absolut och relativ skillnad mellan verkliga och uppmätta värden Absolut skillnad Relativ skillnad [%]
Diameter 1 𝑚𝑚 3,3
Area 88,1 𝑚𝑚! 12,5
Omkrets 6,8 𝑚𝑚 7,4
4.2 Uppskattning av laterala upplösning
Figur 1 i bilaga 3 visar den tagna ultraljudsbilden av fantomen för att uppskatta den laterala upplösningen som användes för att räkna ut måtten i MATLAB. Figur 3 nedan visar de olika delar av bilden som användes för att räkna ut den laterala upplösningen.
Från figur 3 syns det att diametern av metallbiten som var 1,4 mm är lika med 11 pixlar.
Varje pixel motsvarar då längden, lp:
𝑙7 = 1.4 𝑚𝑚
11 = 0,127 𝑚𝑚
Den laterala upplösningen som motsvarar 10 pixlar enligt figur 3 blir då lika med:
𝐿𝑈7 = 10 × 𝑙7 = 10 × 0.127 = 1,27 𝑚𝑚
Den givna transducern uppskattades ha 96 peggar för de piezoelektriska elementen som kan räknas från figur 2 i bilaga 3. Genom att använda standarden att det är 20 aktiva element kommer den aktiva elementens längd, L, att vara:
Figur 3. Ultraljudsbild inzoomat på relevant område. Gul-röda markerinar visar diametern av metallbiten. Grön-blåa markerinag visar den laterala upplösningen. En markerad ruta motsvarar en pixel.
Teoretiska laterala upplösningen uppskattas med ekvation (10) till:
𝐿𝑈,= 2𝐹 𝑐
𝑓𝐿 = 2 × 108! 𝑚 1540 𝑚/𝑠
7,5 × 10# 𝐻𝑧 × 9,6 × 108"𝑚 = 0,428 𝑚𝑚 Den aktiva elementets längd, L2, för 128 element räknas ut till:
𝐿! =𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑑𝑢𝑐𝑒𝑟 𝑙ä𝑛𝑔𝑑
𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 × 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 = 46 𝑚𝑚
128 × 20 = 7,19 𝑚𝑚 Med den nya aktiva elementets längd kan det teoretiska värdet på laterala upplösningen räknas ut med ekvation (10) till:
𝐿𝑈,,! = 2𝐹 𝑐
𝑓𝐿! = 2 × 108! 𝑚 1540 𝑚/𝑠
7,5 × 10# 𝐻𝑧 × 7,19 × 108" 𝑚= 0,571 𝑚𝑚 Längden av aktiva element från uppmätta laterala upplösningen med ekvation (10) blev:
𝐿𝑈7 = 2𝐹 𝑐
𝑓𝐿 ⟺ 𝐿 = 2𝐹 × 𝑐
𝑓 × 𝐿𝑈7 = {𝐹 = 10𝑚𝑚, 𝑐 = 1540 𝑚/𝑠, 𝑓 = 7,5𝑀𝐻𝑧} = 3,23 𝑚𝑚 Med den totala transducer längd på 46 mm innebär detta att ungefär 7,02 % av transducerns totala element som används samtidigt. Med total längd på 46 mm och med 96 element i transducern ger en 7,02 % användning av totala längden att det är sju element som är aktiva vid en avbildning för CONTEC CMS600B-3. Om transducern har 128 element är det nio element som används åt gången. Om det vidare antas att det är 7,02 % av transducern som används vilket antas motsvara 20 element så blir det att transducern ska bestå av 299 element vilket kan innebära att CONTEC CMS600B-3 har 256 element.
4.3 Uppskattning av axiella upplösning
Figur 3 i bilaga 3 visar ultraljudsbilden av gemet hängandes på fiskelina i vatten som det beskrevs i sektion 3.4. Vidare visar figur 4 nedan de olika måtten som är relevanta för uträkning av den axiella upplösningen.
Figur 4. Den blå-gröna markeringen är den axiella upplösning. Den lila markeringen är gemens bredd. För att räkna ut antalet pixlar kommer de röd-gula och brun-gröna markeringar att användas samt Pythagoras sats.
Från blå-gröna markeringen i figur 4 var den axiella upplösningen fem pixlar Längden av den lila sträckan är 7,1 mm. Antalet röd-gula pixlar är 58 och antalet brun-gröna är åtta. Det gör att antalet pixlar i gemets bredd, pGB blev:
𝑝9: = =58!+ 8! = 58,55 𝑠𝑡 Varje pixel hade längden, lpix:
𝑙7+; = 7,1 𝑚𝑚
58,55 = 0,121 𝑚𝑚 Den praktiska axiella upplösningen blev lika med:
𝐴𝑈7 = 5 × 𝑙7+; = 5 × 0,121 𝑚𝑚 = 0,61 𝑚𝑚 Teoretiska värdet på den axiella upplösningen från ekvation (8) blev:
𝐴𝑈,= 𝑐
2𝑓𝑁 = 1540𝑚/𝑠
2 × 7,5 × 10#𝐻𝑧× 3 = 0,308 𝑚𝑚
Med praktiska värdet på axiella upplösingen uppskattades antalet cykler i en puls från ekvation (8) till:
𝐴𝑈7 = 𝑐
2𝑓𝑁 ⟺ 𝑁 = 𝐴𝑈72𝑓
𝑐 = t𝑓 = 7,5𝑀𝐻𝑧, 𝑐 = 1540𝑚
𝑠 , 𝐴𝑈7 = 0,61𝑚𝑚u = 5,94 𝑠𝑡
4.4 Uppskattning av reflektionskoefficient
Figur 1 i bilaga 4 visar ultraljudsbilden av fantomen som skapades enligt sektion 3.5. Figur 5 nedan visar ultraljudsbilden där områden som användes för att uppskatta
reflektionskoefficienter med hjälp av MATLAB är markerade.
Medelvärdiga gråskaleintensiteten blev:
𝐼7,<8= =
=$$">$%!>$"">$"?>$!#>$"!>$#">@A>$!A>$!A>$$B>@C>$!?>@B>$AB>$"?>$#">$A%
$C = 126
Uppskattning av reflektionskoefficienten blev:
𝑅7,<8== 126
256× 100 % = 49,22 % Teoretiska reflektionskoefficienten från ekvation (4) blev:
𝑅,,<8= = (𝑍!− 𝑍$
𝑍!+ 𝑍$)! = {𝑍$ = 1,76, 𝑍! = 8,2} = (8,2 − 1,76
8,2 + 1,76)! = 0,418 = 41,8 % Kvarvarande intensiteten räknades ut med ekvationerna (6) och (7) till:
𝑑𝐵 = −2𝛼𝑑 = −2 × 0,5𝑑𝐵/𝑐𝑚 × 7,5 × 2𝑐𝑚 = −15𝑑𝐵
𝑑𝐵 = 10 log$%v𝐼
𝐼%w ⇔ 𝐼
𝐼% = 10':$% = 108$B$% = 0,0316 = 3,16 % Kombination av resterande intensitet samt teoretiska reflektionskoefficienten gav att intensiteten, Itransducer,a-c som uppmäts av transducern blev:
𝐼,0<-5'D=(0,<8= = 𝐼
𝐼%× 𝑅,= 0,0316 × 0,418 = 0,0132 = 1,32 %
Ultraljudsbilden av den andra fantomen som byggdes enligt metod i 3.5 visas nedan i figur 2 i bilaga 4. Figur 6 nedan visar de områden som användes för att uppskatta de praktiska värden på reflekionskoefficienten dels mellan agar och tofu samt mellan tofu och trä.
Figur 6. Ultraljudsbild av trä och tofu i agar med gränsskiktet mellan agar och tofu markerad med grön linje och gränsskiktet mellan tofu och trä makrerad med blå linje.
Medelvärdet av de olika intensiteter mellan agar och tofu från grönmarkerade sträcket i figur 6 räknades ut till:
𝐼7,<8, =
=!?>"?>$">B%>"#>!A>AB>B?>#?>"@>B">CC>?C>@B>C">?%>#%>#A
$C = 54,78
Den praktiska reflektionskoefficienten räknades ut till:
𝑅7,<8, = 54.78
256 × 100 % = 21,4 % Teoretiska reflektionskoefficienten räknades ut med ekvation (4) till:
𝑅,,<8, = (𝑍!− 𝑍$
𝑍!+ 𝑍$)! = {𝑍$ = 1,76, 𝑍! = 1,61} = (1,61 − 1,76
1,61 + 1,76)! = 0,00198 = 0,2 %
Det teoretiska värdet för pixelintensiteten blev:
𝐼,,<8,= 0,00196 × 256 = 0,507
Medelvärdet av intensiteter för trä-tofu räknades ut från blåmakerade linjen i figur 6 till:
𝐼7,,8,=
=B%>B#>AB>#!>"?>B">B?>A@>?B>?%>B">?#>BC>##>"C>"">!C>C
$C = 50,78
Den praktiska reflektionskoefficienten räknades ut till:
𝑅7,,8, =50,78
256 × 100 % = 19,8 % Teoretiska reflektionskoefficienten räknades med ekvation (4) ut till:
𝑅,,,8, = (𝑍!− 𝑍$
𝑍!+ 𝑍$)! = {𝑍$ = 1,61, 𝑍! = 1,75} = (1,75 − 1,61
1,75 + 1,61)! = 0,0017 = 0,17 % Det teoretiska värdet för pixelintensiteten blev:
𝐼,,,8, = 0,0017 × 256 = 0,435
4.5 Temperaturmätning
Tabellerna 1-10 i bilaga 5 redovisar rådatan för temperaturökning för de olika ultraljudsmaskiner och de olika fantom som byggdes enligt sektion 3.5. Vidare sammanställer figurerna i bilaga 6 temperaturökningarna från t = 0.
Uppvärmning av mjukvävnad
Figur 7 nedan visar den totala temperaturökningen efter 30 min för CONTEC CMS600B-3.
De blåa staplarna visar totala temperaturökningen i fantom med konstant volym på 2 dl agar och de röda staplarna visar totala temperaturökningen i fantom med konstant volym på 1 dl agar. Muggen med 1 dl agar hade djup = 2,94 𝑐𝑚 och muggen med 2 dl agar hade djup = 5,88 𝑐𝑚. Skålen med 1 dl agar hade djup = 1,59 𝑐𝑚 och skålen med 2 dl agar hade djup = 3,17 𝑐𝑚. Tallriken med 1 dl agar hade djup = 0,88 𝑐𝑚 och tallriken med 2 dl agar hade djup
= 1,75 𝑐𝑚. Det framgår från figur 7 att temperaturen ökar när ytarean ökar då volymen hålls konstant och den totala ökningen är större om volymen är mindre. Från uträkningarna på totala djup i fantom är det också tydligt att desto större totala djupet är desto mindre
temperaturökning sker. Om 1 dl agar i mugg jämförs med 1 dl agar i tallrik där totala djup är 2,94 cm respektive 0,88 cm kan det räknas ut att för samma volym men med en
djupminskning med cirka 3,34 gånger så dubblas ökningen i temperatur.
I bilaga 6, figur 1 framgår det att det är en logaritmisk ökning i temperatur som sker i
fantomen med 1 dl agar i tallrik. Om inget annat angavs mättes temperaturerna på 1 cm djup.
Största ökning sker under de första 15 minuter med total ökning under den tiden på 8,9℃. I bilaga 6 visar figur 2 hur temperaturökningen ser ut för fantomen med 2 dl agar i
papperstallrik för CONTEC CMS600B-3 och där temperaturökningen är någorlunda linjär med tiden. I figur 5 i bilaga 6 för fantomen med 2 dl agar i mugg är det också en linjär temperaturökning som sker. I bilaga 6 figur 8 visas för fantomen med 1 dl agar i mugg att
Figur 7. Total temperaturökning för CONTEC CMS600B-3 efter t = 30 min.
Stapeldiagrammen visar temperaturökningen för 6 olika fantomer som skapades enligt sektion 3.5. Temperaturen mättes på 1 cm djup för alla fantom utom tallriken med 1 dl agar där temperaturmätningen gjordes vid botten.
det är en logaritmisk ökning av temperatur som sker på 1 cm djup med störst ökning de första 20 minuter. Temperaturökningen vid t = 20 min är 4,8℃ och den totala ökningen är 5,3℃. I samma figur finns temperaturökningen i samma fantom på 3 cm djup vilket är mer linjär under tiden och totala ökningen efter 30 minuter är 3,1℃ vilket är 2,2℃ mindre än på 1 cm djup. Slutligen ser man i figur 10 och figur 11 i bilaga 6 att ökningarna för fantom med 2 dl agar i skål respektive 1 dl agar i skål är linjära.
Figur 8 nedan visar den totala ökningen för Philips Lumify efter 30 minuter med samma färger på staplarna som i figur 7 för CONTEC CMS600B-3.
Likt CONTEC CMS600B-3 sker det en ökning i temperatur då djupet minskar och ytarean ökar och för fantom med 1 dl agar är ökningen större än för fantom med 2 dl agar. Den maximala totala temperaturökningen för Philips Lumify var lika med 5,5℃ medan för CONTEC CMS600B-3 var den maximala ökningen 10,6℃ för samma fantom.
Följande observationer behandlar ultraljudsmaskinen Philips Lumify på 1 cm djup om inget annat specifikt anges. I bilaga 6 visar figur 1 att temperaturökningen i fantomen med 1 dl agar i papperstallrik varierade linjärt med tiden, men jämfört med figur 2 i samma bilaga som visar temperaturökningen för fantomen med 2 dl agar var lutningen brantare. I bilaga 6, figur 5 demonstreras ökningen för fantomen med 2 dl agar i pappersmugg på 1 cm djup och i figur 7, samma bilaga på 3 cm djup i samma fantom. Det syns i båda figurerna att
temperaturökningarna var linjära med avseende på tid och totala ökningen efter 30 minuter på 1 cm djup var 1,9℃ och på 3 cm djup 1,5℃. I bilaga 6 visar figur 8 hur
temperaturökningen såg ut för fantomet med 1 dl agar i mugg på 1 cm djup och på 3 cm djup både för CONTEC CMS600B-3 och för Philips Lumify. I figurerna redovisas det att
temperaturökningen för Philips Lumify är linjär på båda djup och totala temperaturökningen
Figur 8. Total temperaturökning för CONTEC CMS600B-3 efter t = 30 min.
Stapeldiagrammet visar temperaturökningen för 6 olika fantomer som skapades enligt sektion 3.5. Temperaturen mättes på 1 cm djup för alla fantom utom tallriken med 1 dl agar där temperaturmätningen gjordes vid botten.
