5 Echografie
Dit hoofdstuk gaat over de minst gevaarlijke techniek om beelden te maken van iemands binnenste. Het is ook een techniek waar jullie allemaal, al wist je het misschien niet, mee te maken hebben gehad. We beginnen weer met een patiënt.
Casus
Marjan van Veenendaal is 12 weken zwanger van haar eerste kindje. Ze gaat een echo laten maken. Best wel spannend. Bij de verloskundige heeft ze het hartje al horen kloppen, maar nu gaat ze voor het eerst haar kindje zien. Is het een jongetje of een meisje? Hoewel ze van alle kanten gerustgesteld is, vindt ze het toch wel spannend. Is het niet gevaarlijk? En dat ultrageluid, is dat niet gevaarljk voor haar kindje, kan het daar doof van worden?
Opdracht
Er zijn meer mensen die zo'n echo, net als Marjan, best spannend vinden. Daarom geeft het ziekenhuis aan iedereen die een echo laat maken een "bijsluiter" mee, als je een afspraak komt maken. De bijsluiter is een A4-tje waarop dingen staan die betrekking hebben op de behandeling. Maak zo'n bijsluiter voor het ziekenhuis. Hierin staan de volgende dingen:
- de frequenties die een echo-apparaat gebruikt;
- de frequenties waarvoor een mens gevoelig is;
- wanneer je gehoorbeschadiging krijgt;
- of echografie gevaarlijk is voor het menselijk gehoor.
De bijsluiter lever je aan het eind van de les in.
5.1 Applet
Geluid wordt gemaakt door een geluidsbron te laten trillen. Met de applet hieronder kun je je kennis ophalen van vorig jaar.
Start de applet die hieronder staat. Gebruik de tab "Meten". Hier krijg je een luidspreker te zien, waaruit je geluidsgolven kunt laten komen. Aan de rechterkant kun je de frequentie en de amplitude veranderen. Links staan twee blauwe lijnen die je kunt verplaatsen. Ook de liniaal en de stopwatch zijn verplaatsbaar.
Opdrachten
- Laat de applet lopen en kijk wat er gebeurt als je frequentie en amplitude verandert.
- Stel de frequentie in op achtereenvolgens 250, 500, 750 en 1000 Hz. De precieze waarden van de frequenties zijn niet heel belangrijk, als je maar 4 verschillende frequenties hebt die over het hele gebied verdeeld zijn.
- Meet met de liniaal en de twee hulplijnen de golflengten op. Onderzoek het verband tussen de golflengte en de frequentie.
- Stel de frequentie willekeurig in. Meet de tijd op die nodig is voor 10 golven. Bereken de frequentie.
- Doe dit met 3 andere frequenties.
- Schrijf je antwoorden in je schrift en laat je antwoorden controleren.
Voor het verband tussen golflengte, snelheid en frequentie geldt de volgende formule: v = f · λ.
Gebruik tabel 15 in je Binas. De antwoorden op de volgende opdrachten schrijf je in je schrift en laat je door de PAL of je docent controleren.
1. Bereken de golflengte van een geluidsgolf met een frequentie van 35 kHz, die door een zeeschip wordt gebruikt om de diepte van de zee te peilen.
2. Het vriest 20 graden. Je ziet de bliksem en hoort 5 seconden later de donder. Hoe ver is de onweersbui weg?
3. Een vleermuis gebruikt ultrasoon geluid om zijn prooi te lokaliseren en zijn weg in de ruimte te vinden. De golflengte van dat geluid is ongeveer 4,0 x 10-3 m. Bereken de frequentie.
5.2 Animatie
Echografie wordt niet alleen gebruikt bij zwangerschappen. Er zijn nog veel meer mogelijkheden. Zo heeft mevrouw Van der Veen last van haar darmen. Er wordt een echogram gemaakt. Kijk in de animatie hieronder wat er gebeurt met de geluidspuls. Beantwoord daarna de vragen in je schrift en laat ze weer controleren door je docent of de PAL.
Opdrachten
1. Waarom wordt er gewerkt met geluidspulsen en niet met een constante stroom geluid?
2. Heeft wat je op het filmje ziet overeenkomsten met de manier waarop een vleermuis zijn weg door een ruimte vind? Leg uit.
3. Hoe kunnen we uit de geluidspulsen de dikte van de darm meten?
Echografie werkt met geluidspulsen die worden teruggekaatst en afgebogen in de verschillende weefsels. In de vorige animatie heb je gezien dat een gedeelte van de geluidspuls wordt teruggekaatst naar de transducer en dat een ander gedeelte doorgaat in het weefsel. Terugkaatsing van geluid op snijvlak tussen twee verschillende weefsels gaat hetzelfde als bij licht. Dit betekent dat de hoek i van inval die de geluidspuls maakt met de normaal gelijk is aan de hoek van terugkaatsing t.
De snelheid van geluid is in de verschillende weefsels ook anders. Hierdoor verandert de richting van het geluid. De mate waarin het geluid van richting verandert, is afhankelijk van het verschil in geluidssnelheid tussen de twee stoffen. Net als bij licht is de wet van Snellius hier van toepassing. n = v1 / v2 }= sin i / sin r. In deze formule is n de brekingsindex, v1 de geluidssnelheid in weefsel 1 en v2 de geluidssnelheid in weefsel 2. Sin i is hoek van inval en sin r de hoek van breking.
Opdracht
Bekijk de volgende applet. Neem drie verschillende waarden voor de geluidssnelheid in weefsel 1 en reken de dikte van het weefsel uit. Doe dat ook met drie verschillende geluidssnelheden in weefsel 2. De berekeningen en antwoorden schrijf je in je schrift en laat je controleren door je docent of de PAL.
Casus
Meneer Smit heeft last van zijn benen. De artsen vermoeden dat hij last heeft van vaatvernauwing. Hierdoor komt er minder bloed bij zijn spieren en krijgt hij zogenaamde 'etalagebenen'. Mensen die daar last van hebben, kunnen geen langere tijd lopen. Zij moeten dan af en toe even stilstaan. Met echografie kun je ook de stroomsnelheid van het bloed bepalen.
Vraag
1. Stroomt het bloed bij een vaatvernauwing sneller of langzamer?
Het verschijnsel dat bij het bepalen van de stroomsnelheid wordt gebruikt, is het dopplereffect en de dopplerverschuiving.
Opdracht
2. Zoek op wat we met het dopplereffect en de dopplerverschuiving bedoelen. Schrijf de uitleg in je schrift met een tekening en de formule waarmee je de dopplerverschuiving kunt berekenen.
Als we de stroomsnelheid van het bloed willen bepalen, hebben we te maken met een dubbel dopplereffect. De bloedcel waarvan we de snelheid meten, fungeert eerst als een bewegende waarnemer; en daarna, als hij de geluidspuls terugkaatst, als een bewegende geluidsbron. Dit heeft een dubbele dopplerverschuiving tot gevolg.
De formule waarmee je de snelheid van het bloed kunt berekenen, is:
vbloed= Δf · v/(2 · cos θ · fbron).
In de formule is Δf het frequentieverschil dat de transducer meet, v is de geluidssnelheid in bloed, cos θ de cosinus van de hoek die de transducer maakt met het bloedvat en fbron de frequentie die de transducer uitzendt.
3. Beantwoord de volgende vragen in je schrift:
- Bereken de waarde van Δf als de verzonden puls een frequentie fbron heeft van 1,0 · 104 Hz en de ontvangen puls een frequentie heeft van 10.002,8 Hz.
- Leg met behulp van je antwoord op bovenstaande vraag uit waarom niet alleen de detectie, maar ook de opwekking van de geluidsgolven heel precies moet gebeuren.
Opdracht
4. In de volgende animatie kun je de snelheid van het bloed veranderen met een schuifje. Je ziet dan onderin het scherm de frequentie die de transducer uitzendt en de opgevangen frequentie. Zet het schuifje eerst helemaal links, dan ongeveer in het midden en tenslotte helemaal rechts en reken voor deze drie situaties de snelheid van het bloed uit.
Schrijf je antwoorden met berekeningen in je schrift en laat ze controleren door je docent of de PAL.
5.3 Practicums
Echoscopie maakt gebruik van ultrasoon geluid, dat is geluid dat niet hoorbaar is voor de mens omdat de frequentie te hoog is. De plaatssensor, of afstandsensor, doet dat ook. Hij zendt een geluidspuls uit en vangt het teruggekaatste signaal op. Uit het tijdsverschil tussen die twee kan een computerprogramma de afstand uitrekenen en weergeven. Dit weergeven kan op verschillende manieren; je kunt een afstandsmeter laten zien of een grafiek. Het eerste is vooral makkelijk als je één afstand wilt weergeven. Met een grafiek kun je een klein beetje een echogram simuleren. Dat laatste gaan jullie doen in dit practicum.
- Sluit de afstandsensor aan op de interface van het programma dat bij jullie op school gebruikt wordt. Vaak is dat IP-Coach, maar het kan ook Data Studio zijn.
- Start het programma en stel het in voor een afstandmeting. Kies voor weergave als een grafiek.
- Plaats een aantal voorwerpen op verschillende afstanden van elkaar en van de afstandsensor.
- Start de meting.
- Schuif de afstandsensor met een constante snelheid langs de voorwerpen en laat de computer een grafiek tekenen.
- Stop de meting als je langs alle voorwerpen gegaan bent.
- Print de grafiek uit en laat een medeleerling met behulp van de grafiek proberen te tekenen waar de voorwerpen stonden.
Resolutie is belangrijk als je een echo maakt.
- Zoek op wat er wordt bedoeld met "resolutie".
Om een hoge resolutie te krijgen, worden golven met een kleine golflengte gebruikt. Hoe kleiner de golflengte, des te hoger de resolutie van het plaatje. Het nadeel is dat deze golven met kleine golflengte niet zover in het weefsel doordringen. De afstandsensor die je voor het bovenstaande proefje hebt gebruikt, werkt met een frequentie van ongeveer 49 kHz.
- Probeer met steeds smallere blokjes tot hoeveel cm de sensor nog kan "zien". Zoek in de specificaties van de door jullie gebruikte afstandsensor op met welke frequentie hij precies werkt.
- Laat met een berekening zien of de resolutie van de sensor overeenkomt met de door jullie gevonden waarde van het smalste blokje.
5.4 Eindopdracht
Ultrageluid is een belangrijk hulpmiddel in het diagnostiseren van allerlei aandoeningen. Het is weinig belastend voor de patiënt en niet gevaarlijk. Je kunt niet alles met echografie zichtbaar maken, maar wel veel.
Je hebt de keuze tussen opdracht 1 en opdracht 2. Overleg met je docent welke je gaat doen.
Eindpdracht 1
Maak met een groep van maximaal 4 leerlingen een Klokhuis- of animatiefilm, waarin je laat zien waar ultrageluid in het ziekenhuis voor gebruikt wordt. De film duurt ongeveer 10 minuten.
Wat moet er in de film?
- Wat is ultrageluid? Waarom noemen we het zo?
- Terugkaatsing/afbuiging van geluid in je lijf. Hoe komt dat? Welke wet geldt hiervoor?
- Uitleg van een echografie-apparaat:
-
- Wat is een transponder? Wat doet deze?
-
- Hoe worden verschillende weefsels in beeld gebracht? Gebruik hierbij het verschil in geluidssnelheid in verschillende weefsels en de terugkaatsing.
Voor je film kun je gebruik maken van de volgende bronnen:
http://www.hetklokhuis.nl/
http://www.howstuffworks.com/ultrasound.htm
Voor een animatiefilm kun je het volgende programma gebruiken:
http://www.zachpoff.com/software/singleframer/
Eindopdracht 2
Zoek een filmpje op van een echoscopie. Vertel van het filmpje:
- Met welke klacht kwam de patiënt bij de dokter?
- Hoe is het filmpje gemaakt?
- Uitleg van een echografie-apparaat:
- Wat is een transponder, wat doet deze?
- Hoe worden verschillende weefsels in beeld gebracht? Gebruik hierbij het verschil in geluidssnelheid in de verschillende weefsels en de terugkaatsing.
- Gebruik voor je antwoord de volgende deelvragen:
- Wat is ultrageluid? Waarom noemen we het zo?
- Terugkaatsing/afbuiging van geluid in je lijf. Hoe komt dat? Welke wet geldt hiervoor?
Voor informatie kun je naar de volgende site gaan:
http://www.teachingmedicalphysics.org.uk/
sound_nl.jnlp
