Echografie

Zwangerschapscontrole

Op de afbeelding hierboven zie je het gebruik van echografie bij zwangerschapscontrole. Via een laagje gel staat een gecombineerde zender en ontvanger van geluid in contact met de buik van de vrouw. Op het beeldscherm kan de arts een doorsnede van de baarmoeder zien. Zo kan de arts nagaan of de foetus zich goed ontwikkelt.

Het principe

Bij echografie wordt gebruik gemaakt van ultrageluid. Dat is geluid met een zeer hoge frequentie (2,5 tot 5 megahertz) dat voor ons niet hoorbaar is. De geluidssnelheid is in uiteenlopende organen van het menselijk lichaam verschillend, vooral stevigheid en daarnaast dichtheid van een materiaal zijn daarop van invloed.

$v=\sqrt\frac{E}{\rho }$

 Als op het grensvlak tussen twee verschillende weefsels de geluidssnelheid verandert, kaatst een deel van het geluid terug. De rest gaat verder en kaatst even later op een ander grensvlak gedeeltelijk terug etc. De teruggekaatste golven worden opgevangen en omgezet in elektrische signalen, die door de computer bewerkt worden. Uiteindelijk ontstaat een voor ons min of meer begrijpelijk beeld op het beeldscherm.

De transducer

Geluidsgolven ontstaan in een transducer. Dit is een apparaat dat geluidsgolven uitzendt en weer opvangt. De transducer werkt op piëzo-elektriciteit: dat is vervorming van een bepaald kristal als er een elektrische spanning op staat. Door een zeer hoogfrequente wisselspanning op het kristal te zetten, krijg je zeer snelle vervormingen van het kristal en dus ook hoogfrequente geluidsgolven. De transducer werkt dan als geluidsbron. Omgekeerd zullen op het kristal - als het vervormd wordt - elektrische spanningen ontstaan. Als geluidsgolven het kristal bereiken, ondergaat het vervormingen. Dan ontstaat er een elektrische spanning. De transducer werkt op dat moment als microfoon.

Echografie werkt niet als er lucht tussen de transducer en het lichaam zit. Op het grensvlak tussen lucht en het lichaam zou praktisch al het geluid direct terugkaatsen. Er komt dan nauwelijks geluid het lichaam binnen. Vandaar dat een laagje gel tussen de transducer en het menselijk lichaam nodig is om alle lucht buiten te sluiten. Overigens is het zogenaamde quartzhorloge ook een toepassing van piëzo-elektriciteit. De trillingen van een kwartskristal worden omgezet in elektrische signalen en gebruikt om de tijd te meten.

Terugkaatsing en breking

Omdat het lichaam grotendeels uit water bestaat, zit de geluidssnelheid voor de meeste organen in de buurt van de geluidssnelheid van water (ca 1,5 km/s). In de figuur hieronder zie je hoe de geluidsnelheid in verschillende materialen en organen is. Longen bevatten heel veel lucht en hebben een lage geluidssnelheid, terwijl tanden en botten juist een hoge hebben. De geluidssnelheden in verschillende organen (hersenen, nieren, lever, spieren) liggen dichter bij elkaar (tussen de 1350 en 1800 m/s). Toch verschillen ze vaak voldoende om terugkaatsing te geven.

Een paar Engelse woorden:
• spleen = milt
• cartilage = kraakbeen
• saline = zouthoudend water
• tendon = pees

Geluid treft op een bepaald moment het grensvlak tussen stoffen met verschillende geluidssnelheid. Net als bij licht treedt dan gedeeltelijk terugkaatsing en breking op. Er gelden dezelfde wetten als bij licht. Als de hoek van inval 0o is, zal geluid ook gedeeltelijk terugkaatsen en gedeeltelijk rechtdoor gaan. Op elk grensvlak treedt die gedeeltelijke terugkaatsing op. Hoe groter het verschil in geluidssnelheid, des te sterker de terugkaatsing.

Terugkaatsing en breking gaat hetzelfde als bij licht, dus: i = t en sini/sinr = n = v₁/v₂

Om bloedvaten goed in beeld te krijgen, brengt men er soms een contraststof in die bestaat uit microscopisch kleine belletjes lucht die in eiwit opgesloten zijn. Die belletjes zijn ongevaarlijk en stromen met het bloed mee. De terugkaatsing van geluid op de lucht is zeer sterk, zodat die bloedvaten duidelijk zichtbaar in beeld komen.

De transducer geeft een zeer korte geluidspuls en werkt direct daarna als ontvanger om de echo op te vangen. Het terugontvangen signaal wordt naar een computer gestuurd. Uit het tijdsverschil tussen uitzending en ontvangst berekent die computer de ‘diepte’ van het grensvlak van het geluid. Uiteindelijk wordt met behulp van alle ontvangen informatie een beeld geconstrueerd van een dwarsdoorsnede van het menselijk lichaam.

3-dimensionale beelden

Om driedimensionale opnamen te maken, gebruikt men een speciaal apparaat dat bestaat uit een aantal transducers op onderling gelijke afstand. Men geeft de transducers een onderling faseverschil. Door dit verschil gaan de golven niet recht weg van de transducers, maar onder een schuine hoek. Varieert men de faseverschillen, dan kan men verschillende hoeken instellen waaronder het geluid weggaat. Als zo een gebied is afgetast, construeert de computer uit de teruggekaatste golven een 3-dimensionaal beeld.

Wil je meer weten over de werking van de rij transducers? En wil je een animatie hierover zien? Klik dan hier.

Dopplereffect

Ultrageluid wordt niet alleen gebruikt voor zwangerschapscontrole of om tumoren en dergelijke op te sporen, maar ook om de stroomsnelheid van het bloed te meten. Zo kan men bijvoorbeeld de bloedstroom door het hart of door de nieren meten en gevaarlijke bloedvatvernauwingen opsporen. Meting van de stroomsnelheid van het bloed gaat eigenlijk op dezelfde manier als bij radarcontrole in het verkeer. De geluidsgolven kaatsen terug op bewegende rode bloedlichaampjes. Door het dopplereffect is de frequentie van de teruggekaatste golven veranderd.

Het verschil in frequentie wordt door de computer bepaald en daaruit kan met de volgende formule de snelheid in de richting van de waarnemer bepaald worden:

• v is hier de snelheid van het bloed en v_geluid de geluidssnelheid in het bloed (zie boven: ca 1570 m/s)
• α is de hoek tussen de de stroomsnelheid en de richting van de geluidsgolven (zie figuur hieronder)

Wil je meer weten over de achtergrond van bovenstaande formule, klik dan hier.

Je bepaalt eigenlijk v.cos α, dus de component van de stroomsnelheid in de richting van de waarnemer. In de figuur hieronder zie je het resultaat. In blauw is de stroming aangegeven als die naar de waarnemer toe gericht is en in rood staat de stroming van de waarnemer af.

Toepassingen en gevaren

Het grote voordeel van toepassing van ultrageluid: er wordt geen gebruik gemaakt van röntgenstraling of radioactiviteit. En in tegenstelling tot de MRI-scan is echografie niet erg duur. Toepassingen in de medische wereld zijn er dus volop: zwangerschapsonderzoek, onderzoek naar de toestand van hart of bloedvaten, opsporen van tumoren in de lever of in de prostaat. In toenemende mate wordt echografie ook gebruikt om bij spoedeisende hulp snel diagnoses te kunnen stellen.

Een mogelijk gevaar van echografie is de warmteontwikkeling. Een deel van de geluidsenergie wordt in warmte omgezet. Daardoor zou het lichaam plaatselijk “koorts” kunnen krijgen. Of er zouden opgeloste gassen kunnen vrijkomen en gevaarlijke gasbelletjes ontstaan. Soms wordt die temperatuurverhoging ook bewust toegepast. Bijvoorbeeld om een bloeding te stelpen en het bloedvat als het ware dicht te branden. In het algemeen zijn er geen gevaarlijke bijwerkingen van echografie waargenomen, maar het is altijd aan te bevelen echografie niet méér toe te passen dan nodig is.