Ultraäänilaitteen toiminnan selittäminen taiteilijalle
Mitä sana ultraäänilaite tarkoittaa? Aloitetaan paloittelemalla sana ultraäänilaite kolmeen osaan: Ultraksi, ääneksi ja laitteeksi. Mitä ultra, ääni ja laite tuo välittömästi mieleen? Äänen me tiedämmekin. Se on sitä kun korva kuulee jotain. Musiikkia, puhetta, tinnitusta ja kaikkea. Ultra on varmaan jotain suurta ja hieman hienoakin kuten Ultra Bra bändinä ja liiveinä, ultra HD jne. Laite on varmaankin kaikkein tutuin kapistus. Jos siinä on enemmän kuin yksi liikkuva osa, se voi mennä rikki. Ja niin ne nykyisin menevätkin.
Valitaan aluksi ääni tarkempaan tutkimukseen. Ääni oli jotain mitä me kuullemme. Tarkennetaan: Kuulo? On oltava jokin vastaanotin, lähetin, väliaine ja joku informaatio. Esimerkki: olet joskus huutanut järvenrannalla ja huomannut äänen palaavan kaikuna takaisin. Tässä suu on lähetin. Suusta lähtee informaatio joka on ääni. Ääni siirtyy välittömästi väliaineeseen eli ilmaan joka kuljettaa ääntä (noin 300m/s riippuen lämpötilasta). Järvellä huutaessa ääni osuu lopulta johonkin vastapäätä olevaan esteeseen ja siroutuu (kimpoilee joka suuntaan). Osa ääniaalloista kimpoaa takaisin ja vastaanotin eli korva havaitsee signaalin. Mikäli vastassa olisi raskas metallilevy silloin valtaosa äänestä kimpoaa takaisin. Kaiku olisi kovempi (luu kudoksen seassa). Kaiuttomissa tiloissa käytetään hyväksi pehmeitä ja oikeassa kulmassa olevia materiaaleja kaiun heikentämiseen. Signaali palaa viiveellä ja on yleensä myös lähtevää signaalia heikompi. Mikäli prosessin kaikki komponentit ovat pysyneet informaatioita lukuun ottamatta paikallaan taajuudenkin pitäisi olla teoriassa sama. Ääni on siis mekaanista aaltoliikettä joka etenee väliaineesta riippuen tietyllä nopeudella. Ääni tarvitsee aina väliaineen toisin kuin esimerkiksi sähkömagneettinen säteily. Ihminen kuuloalue on 20Hz – 20kHz, joten periaatteessa alueen ulkopuolella olevat äänet jää havaitsematta kuuloaistilla.
Ultra oli jotain suurta ja mahtavaa! Ultra tarkoittaa tässä tapauksessa ihmisen kuuloalueen yläpuolella olevaa ääniaallon taajuutta. Ultraäänilaitteen taajuusalue on 20 000 Hz:stä aina 1 000 000000 Hz:n (siis 1 000 MHz). Matala taajuus on kimmoisanpi ja korkeampi taajuus taas tarkempi. Korkealla taajuudella päästään parempaan kuvanlaatuun mutta kuvantamissyvyys lyhenee suhteessa. Taajuutta pienentämällä päästään siis syvemmälle, mutta kuvanlaadun kustannuksella. Ihmiskehon kuvantamisessa 5 MHz:llä päästään noin 10-15 cm. Finnboatin teettämän tutkimuksen mukaan ultraääni on paras tapa lämpökameran ohessa tutkia veneen komposiitti- tai laminaattirakenteen sisäisiä vaurioita (tästä en puhunut kotona).
Laite on äänen ja Ultran yhdistävä härveli. Laite toimii kuin edellä mainittu järvenrantahuutelu -teoria. Ultraäänilaitteessa ihmisen korvan ja suun virkaa ajaa anturi. Ääntä tuottava osa on pietsomateriaalinen kide ja yleisesti kvartsi. Anturi on kapistus, jota laitetta hallinnoiva henkilö pyörittelee tyypillisesti vaikka raskaana olevan naisen vatsan päällä. Anturista lähtee äänisignaali eli laite huutaa. Mitä kiinteämpään aineeseen signaali osuu (luut, jänteet) sen suurempi heijastus. Nesteet päästävät signaalin lävitseen joten se näkyy monitorilla mustana. Taajuuden vaihtelu määrittelee kuinka syvälle ultraäänilaite tarkastelee. Riippuen laitteen käyttötarkoituksesta laitteeseen on yleensä tehty liuta helpottavia toimintoja. Raskausultrassa kohteesta saa livekuvaa. Kohteesta on myös mahdollista ottaa varsin tarkkoja mittoja. Tässä tapauksessa pää perä –mitta, tai kallon ympärysmitta on tyypillinen mittausalue.
Miksi ultraäänilaite? Ultraäänen ehdottomia hyviä puolia on, että se on lämpösäteilyä lukuun ottamatta täysin turvallista. Toinen loistava ominaisuus on liikkuva ja reaaliaikainen kuva. Tämä on mahdollista koska ääniaallot ovat pääsääntöisesti vaarattomia ja niitä voi siis melko huoletta ”ampua” jatkuvalla syötöllä. Röntgenlaiteessakin tämä olisi mahdollista mutta säteilyarvot nousivat suuriksi ja siksi röntgenillä otetaan elävien olentojen kuvaamisessa pääsääntöisesti still-kuvia. Läpivalaisulaitteet toimivat ultraäänilaitteiden kaltaisesti koska eloton materiaali ei ole niin kranttu säteilylle. Ultraäänilaite on erittäin suosittu raskausajan kuvantamisessa. Ultraäänellä on mahdollista hoitaa myös erilaisia kehoomme kohdistuneita vammoja esim. Urheiluvammat, amputaation fantomikivut, venähdykset yms. Ultraääni ei ole kovin tarkkaa kuvantamista eikä sillä päästä kovinkaan luotettavasti kaikkialle kehossamme. Näin ollen Röntgen- tai magneettikuvantaminen on suositumpia monissa lääketieteellisissä perushaasteissa kuten luiden murtumisissa.
Jo 600 ea pythagoras ihmetteli äänen ominaisuuksia ja voidaankin ajatella, että akustiikan tutkiminen alkoi jo tuolloin. Akustiikka on osa äänen tieteellistä tutkimusta. Kuinka ollakaan sotateollisuus on ensimmäisenä valjastanut ultraäänen omiin tarpeisiinsa. Ensimmäisessä maailmansodassa Ultraääntä käytettiin sukellusveneiden paikantamiseen. Lääketieteelliseen käyttöön se tuli vasta 50-luvulla ja käyttö oli tuumoreiden löytäminen. Näistä tuumoreista sitten monet paljastuivat raskauksiksi vaikka sen ei tietenkään pitänyt olla mitenkään mahdollista.
Kuva 1. Pernan repeämä ultraäänellä
Kuva 2. CT:n kuva samasta pernan repeämästä.
Lähteet:
http://www.diter.com/diter/tuotteet/ultraaani/d1b-ultra-3-taajuinen-ultraaanilaite
http://fi.wikipedia.org/wiki/Ultraäänilaite