background image

Dr Hadi Al-Sagur

 

1

 


background image

1. Introduction 

 

 

•The audible sound :range is usually defined as 20 Hz to 20.000 Hz (20 kHz). 
Older people often lose the ability to hear the frequencies above 10 kHz. 
• Infrasound :refers to sound frequencies below the normal hearing range, or  
less than 20 Hz. 
It produced by natural phenomena like earthquake waves and atmospheric  
pressure changes.   
 
• Ultrasound :sound with the frequency range above 20 kHz. It is used  
  clinically in number of specialties. 
  it is often gives more information than an X-ray , and it is 

less hazardous 

  for the fetus

CH 12 Sound

 

2

 


background image

2. General properties of sound 

 
• A sound wave is mechanical disturbance in a gas, liquid, or solid. 
• It is caused by a vibrating body or a diaphragm. 
• The vibrations cause local increases and decreases in pressure relative  
(compressions & rarefactions) 
• The relationship between the frequency of vibration of the sound wave 
                                v= λf 
• Energy is carried by the wave as potential and kinetic energy. 

The  intensity (I)  

of sound wave is the energy passing through 1 m

2

/sec. 

• A special unit, the bel has been developed for comparing the intensities of two 
Sound waves (I2 /I1)  (1 bel = 10 dB ) decibel. 

CH 12 Sound

 

3

 


background image

The Schematic is representation of a sound wave from a loudspeaker. 

(a): a diaphragm vibrates at a frequency f  and produces compressions and 
rarefactions in air. 
(b): the pressure relative to atmospheric pressure versus distance. 

CH 12 Sound

 

4

 


background image

The  intensity (I) of sound wave is the energy passing through 1 m

2

/sec

, or

 

Watts per square meter. For a plane wave; I is given by :

 

                                          

 

Z

P

I

2

2

0

Where Po : is the maximum change in pressure 
            Z : is the acoustic impedance of the medium which is given in  

3

m

kg



Z

Where  ρ: is the density of the medium  
             v: is the velocity of sound in the medium (m/sec) 

CH 12 Sound

 

3. Sound intensity and acoustic impedance 

5

 


background image

Z

P

I

2

2

0

 

2

1

2ZI

P

o

Example: the 

sound intensity 

that ear can tolerate at 1000 Hz is approximately 

1 W/m

2

 

and the faintest 

sound intensity 

that ear can hear at this frequency is  

approximately 

10

-12

 W/m

2

. If you know that the acoustic impedance  

for air is 430 kg/m

2

.sec then calculates the sound pressure at these two intensities. 

 

           

P

oa

= (2x430x1)

1/2

 =29N/m

2

 

P

ob

= (2x430x10

-12

)

1/2

 =2.9x10

-5 

N/m

2

 

CH 12 Sound

 

6

 


background image

4. Reflection and transmission of sound wave 

 

 

First // When the wave was perpendicular to the surface 

 
When a sound wave hits the body, part of the wave is reflected and part is 
 transmitted into the body. 
 
The percentage of the reflected part and the transmitted part depend on the  
acoustic impedance of the two media the sound travels through.  

CH 12 Sound

 

7

 


background image

The ratio of the reflected sound intensity to the incident sound intensity is given 
by: 

2

1

2

1

2

0





Z

Z

Z

Z

I

I

R

While the ratio of the transmitted intensity to the incident sound intensity is 
calculated from : 

2

1

2

2

2

1

0

2





Z

Z

Z

Z

Z

I

I

T

 Whenever acoustic impedances differ greatly there is almost complete reflection  
of the sound intensity. This is true regardless of which medium the sound originates in 
and is the reason heart sounds are poorly transmitted into the air adjacent to the chest. 
 
 When the acoustic impedances of the two media are similar, almost all of the sound is 
transmitted into the second medium. Choosing materials with similar acoustic impedance 
Is called impedance matching. Getting sound energy into the body requires impedance 
matching. 
 

CH 12 Sound

 

8

 


background image

CH 12 Sound

 

2

1

2

1

2

0





Z

Z

Z

Z

I

I

R

9990

.

0

9995

.

0

430

10

64

.

1

430

10

64

.

1

2

2

6

6





2

1

2

2

2

1

0

2





Z

Z

Z

Z

Z

I

I

T

0010

.

0

430

10

64

.

1

10

64

.

1

2

10

64

.

1

430

2

6

6

6





Example:

 Calculate the ratio of reflected and transmitted sound intensities from air to muscle,  

knowing that the acoustic impedances of air and muscle are 430 and 1.64x10

6

 kg/m

2

.sec respectively. 

 

       

      

      

9

 


background image

CH 12 Sound

 

2

1

2

1

2

0





Z

Z

Z

Z

I

I

R

0026

.

0

0513

.

0

10

48

.

1

64

.

1

10

48

.

1

64

.

1

2

2

6

6





2

1

2

2

2

1

0

2





Z

Z

Z

Z

Z

I

I

T

9974

.

0

10

48

.

1

64

.

1

10

64

.

1

2

10

64

.

1

10

48

.

1

2

6

6

6

6









       

Example:

 Calculate the ratio of reflected and transmitted sound intensities from water to  

muscle are 1.48x10

6

 and 1.64x10

6

 kg/m

2

.sec respectively.

 

 

      

10

 


background image

The previous discussion of reflection of sound waves assumed that the wave was 
perpendicular to the surface. 
 

Second // When the wave was not perpendicular to the surface

 

► The geometric laws involving the reflection and refraction (bending) of sound waves 
when hits at an angle θi to boundary between two media are: 
1. θ incident = θ reflected (θi = θr) 
2. The angle of the refracted sound wave θ

2

 is determined by the velocities of the  

      sound in the two media v

1

 and v

2

 from the equation: 

 

2

2

1

1

v

Sin

v

Sin

Figure explains the behavior of a sound wave at an interface 
between two substances where reflection and refraction 
(bending) take place. The velocity of sound in medium 2 (

v

2

) is 

greater than that in medium 

1

 (

v

1

).

 

CH 12 Sound

 

11

 


background image

 
 ► Because sound can be refracted, acoustic lenses can be constructed to focus sound waves 
 ► When a sound wave passes through tissue, there is some loss of  energy due to frictional 

effects which causes a reduction in the amplitude of  the sound wave. But the intensity 

decreases more rapidly than the amplitude due to this effect. 

 
► The absorption increases as the density increases. Thus the bone absorbs much more than 

other tissues. The absorption also increases as the frequency of  sound wave increases. 

 
► Spreading out or divergence of  sound causes sound intensity to decrease. The intensity is 

decreased according to the inverse square law. 

 
 
 
 
Where : r is the distance from the source to the measuring point. 

 

 
 

2

1

r

I

CH 12 Sound

 

12

 


background image

CH 12 Sound

 

►The half  – value thickness (HVT) is the tissue thickness needed to 
decrease I

o

  to I

o/2

   

or original sound intensity to half  its value.  
 
►From table you note the high absorption in the human skull and that the 
absorption increases as the frequency of  the sound increases. 
►This increasing absorption with frequency also occurs for other body 
tissues and limits the maximum frequencies that can be used clinically. 
Where the half  – value thickness is the path length through tissue that 
reduces the beam to 50% of  its original intensity I

o

 

Half-Value 

Thickness 
(cm) 

Frequency 

(MHz) 

Material 

2.7 

Muscle 

6.9 

0.8 

Fat 

3.2 

Brain (ave) 

0.95 

0.6 

 
 
Bone (human 

skull) 

0.34 

0.8 

0.21 

1.2 

0.11 

1.6 

0.08 

1.8 

0.06 

2.25 

0.045 

3.5 

1.4 x10

3

 

Water 

Half – value

 

thickness

 

Distance

 

I

o

 

Sound

 

 intensity

 

Figure : where explain the  half – value thickness is the 
path length through tissue that reduces the beam to 50% 
of its original intensity Io. 

13

 


background image

CH 12 Sound

 

Example

:  If  you  know  that  the  HVT  of  the  bone  at  ultrasound  frequency 

0.8MHz  is  0.34  cm  then  what  is  the  attenuation  of  intensity  by  1  cm  of 

bone? 

 

1/0.34 = 3 

This mean: 1cm = 3HVT 

The intensity will be reduced by a factor of 2

3

 =8 

So that remain is 12.5 %  

14

 


background image

CH 12 Sound

 

5. The body as a drum (percussion in medicine) 

 
In 1761, Leopold Auenbrugger (Austrian physician) stated that with percussion he could  
diagnose tumors, the presence of abnormal cavities in an organ, and those diseases  
involving fluids in the chest region. He confirmed many of these diagnoses by examining 
bodies after death. 
 
 
 Percussion Sounds 
Three basic medical percussion sounds are described: 

resonant, tympanic, and dull. 

 The resonant sound is heard over normal lung tissue. 
 The tympanic sound is heard over most portions of the normal abdominal cavity. 
 The dull sound is elicited over solid organs (e.g., the liver) as well as muscles.  
 
 

15

 


background image

CH 12 Sound

 

6. Stethoscope

 

A stethoscope is a medical device that is used, generally, by doctors, nurses and other 

 

medical professionals.

 
 

Bell: The bell of a stethoscope is the cup shaped part at the end of the

 

tubing, usually opposite to the diaphragm. Not all stethoscopes have a

 

bell. The bell is used to listen to low pitched sounds.

 
 

Diaphragm: The diaphragm of a stethoscope is the flat part at the

 

end of the tubing, with the thin plastic “drum-like” covering. The

 

diaphragm is used to listen to high pitched sounds. Some stethoscopes

 

have a diaphragm but no bell.

 
 

 

16

 


background image

CH 12 Sound

 

 

Tubing: The stethoscope tubing transmits sound from the bell or

 

diaphragm to the earpieces. Some stethoscopes have single tubes, some

 

have double tubes. Double tubes are more sensitive, but may rub against

 

one another causing “squeaks” to be heard.

 
 

Earpieces: Earpieces (gasp!) fit into the ears. They should angle slightly

 

forward for the best fit. Earpieces made of soft rubber are more comfortable

 

and may prevent outside sounds from interfering with your listening.

 

 

17

 


background image

CH 12 Sound

 

What is the stethoscope for? 
Stethoscopes are used to hear sounds 
generated from within the body.  
They are used to listen to the heart, lungs and intestinal tract. 
They are also used for measuring blood pressure. 
 

18

 


background image

7. Ultrasound pictures of the body: 

Basically an ultrasound source sends a beam of pulses of 1 to 5 MHz sound into 
the body. The time required for the sound pulses to be reflected gives information 
on the distance to various structures or organs in the path of ultrasound beam. 

Generation of Ultrasound: 

The most important method of generating ultrasound involves the piezoelectric 
effect. Many crystals can be cut so that an oscillating voltage across the crystal 
will produce a similar vibration of the crystal, thus generating a sound wave, 

CH 12 Sound

 

19

 


background image

Ultrasound generators are often simply referred to as 

transducers 

because they 

convert 

electrical energy into mechanical energy

 and vice versa. Each transducer has a natural 

resonance of vibration. The thinner the crystal, the higher the frequency at which it will 
oscillate. 

 The same transducer that produces the pulse serves as the detector; the vibration of the 
crystal produced 

by the echoes generates 

a voltage across it.  

Transmitting Ultrasound Pulses: 

 Pulses of ultrasound are transmitted into the body by placing the vibrating crystal 
in close contact with the skin, using water or a jelly paste to eliminate the air. this  
gives a good coupling at the skin and greatly increases the transmission of ultrasound 
into the body and of echoes back to the detector. 

CH 12 Sound

 

20

 


background image

          To obtain diagnostic information about the depth of the structures in the body, we send 

pulses of ultrasound into the body and from the time required to receive the reflected 
sound (echoes) where equal (10

-6

 sec) and the known velocity of sound in the body (1540 

m/s), the distance to the reflecting structure can be determined. Pulses of  

A scan 

work are 

typically a few microseconds long. They are usually emitted at 400 to 1000 pulses/sec. 

Ultrasound Scanning Modes: 

1. 

A Scan : 

Since the echo has been attenuated by 
water, R is smaller in amplitude than 
the initial pulse shown on the screen. 
When the surface vibrates (the figure) 
the position of the echo on the screen 
also moves. 

CH 12 Sound

 

The amount of reflection depends primarily on: 

1.The difference in acoustic impedance of the two materials. 
2. The orientation of the surface with respect to the beam. 

21

 


background image

        Pulses of ultrasound are sent into a thin 

region of the skull slightly above the ear and 
echoes from different structures within the head 
are displayed on a screen. 

 
        The usual procedure is to compare the echoes 

from the left side of the head to those from the 
right side and to look for a shift in the midline 
structure. 

 
        A tumor on one side of the brain tends to shift 

midline toward the other side. Generally, a shift 
of more than 3mm for adult, or 2mm for a child 
is considered abnormal.  

 

Applications of A scan: 

1. Echoencephalography: 

CH 12 Sound

 

22

 


background image

 At low power levels of ultrasound, there is no 

danger to the patient’s eye. 

Ultrasound of high frequencies of up to  20 MHz 

is used to produce better resolution. 

Ophthalmologic applications are: 

a)

Diagnostic:

 ultrasound diagnostic 

technique can provide information about 
deeper regions of the eye and are 
especially useful when the cornea or lens 
is opaque. Tumors, foreign bodies, and 
detachment of the retina are some of the 
problems that can be diagnosed with 
ultrasound. 

b)

Biometry:

 with ultrasound it is possible to 

measure distance in the eye such as lens 
thickness, depth from the cornea to the 
lens, the distance to the retina, and the 
thickness of vitreous humor. 

2. Ophthalmology: 

CH 12 Sound

 

23

 


background image

CH 12 Sound

 

        This method is used to obtain a two-dimensional view of parts of the body. The 

principle is the same as for the (A) scan, except that the transducer is moved. As a 
result each echo produces a dot on the monitor at a position corresponding to the 
location of the reflecting surface. By storage of all echoes, a complete image can be 
made. 

2. 

B Scan 

        Conventional X-rays can only detect cysts that take up radio-opaque solutions, while 

ultrasound can be used to quantitatively image many types of cysts. Tumors can be easily 
detected when using 

an improved gray-scale 

display in which the large echoes appear 

brighter than weak echoes. Greater range of echoes can be displayed when using the 

color 

display

. In this mode, echoes are electronically processed and fed to a computer. 

24

 


background image

CH 12 Sound

 

Diagnostic Imaging  
Also called: Imaging 
 
 ►Diagnostic imaging refers to technologies that doctors use to look inside 

your body for clues about a medical condition. A variety of machines and 
techniques can create pictures of the structures and activities inside your 
body. The technology your doctor uses will depend on your symptoms and 
the part of your body being examined. 

X-rays, nuclear medicine scans, 

MRI scans and ultrasound

 are all types of diagnostic imaging. 

 
 

►Many imaging tests are painless and easy.  

25

 


background image

CH 12 Sound

 

Ultrasound to measure motion

 

 

This is can be done by two ways:

 

1. M (Motion) Scan: 

       In this mode, the transducer is held stationary 

as in the (A) scan and the echoes appear as dots 
as in the (B) scan. But here, the changes in the 
echoes positions are displayed as a function with 
time. 

      (M) Scan are used to obtain diagnostic 

information about the heart. The places where the 
heart can be probed are quite limited because of 
poor ultrasound transmission through lung tissue 
and the bone. 

 

The usual method is to put the transducer on the patient's left side, aim it between the ribs over 
the heart, and tip it at different angels to explore various regions of the heart. By moving the 
probe it is possible to obtain information about the behavior of a particular valve or section of 
the heart. 
 
The information of interest is the rate of closing the studied valve; the slower the rate of 
closure, the larger the amount of stenosis. 
 

26

 


background image

CH 12 Sound

 

 

 

2. Doppler Effect: 

A source of sound with frequency 

ƒ

o

 will have a higher pitch when it is moving 

towards a listener and a lower pitch when it is moving away from him. This 
frequency change is called the 

Doppler shift

. This shift will depend on the 

velocity of the source or the listener. 

The Doppler effect can be used to measure the speed of moving objects or fluids 

within the body, such as blood. When a continuous ultrasound beam is “received” 
by some of red blood cells in a artery moving away from the source, the blood 
“hears” a slightly lower frequency than the original frequency ƒ

o

 

 

      The blood sends back scattered echoes of the sound 

it “hears” , but since it is now a source of sound 
moving away from the detector, there is another shift 
to a still lower frequency. The detector receives a 
back – scattered signal that has undergone a double 
Doppler shift. 

27

 


background image

CH 12 Sound

 

When the blood is moving at an angle θ from the direction of the sound waves, the 
frequency change ƒ

 is:  

cos

2

v

V

f

fd

o

Where: 
ƒo is the frequency of the initial ultrasound wave 
V   is the velocity of blood 

v    is the velocity of sound 

And θ is the angle between V and v . 

 

           The Doppler Effect is also used to detect motion of fetal heart, umbilical 

cord, and placenta in order to establish fetal life during 12 to 20 week period 
of gestation when radiological and clinical signs are unreliable. 

28

 


background image

CH 12 Sound

 

8. Physiological effects of ultrasound in therapy : 

Various  physical  and  chemical  effects  occur 

when  ultrasonic  waves  pass  through 

the body

, and they can cause physiological effects.

 

The magnitude of physiological effects 

depends on the frequency and amplitude of 

sound

 

At the very low intensity levels used for diagnostic work (0.01 W/cm2 average power and 

20 W/cm2 peak power) no harmful effects have been observed. 

 

 

The  primary  physical  effects  produced  by  ultrasound  are  temperature  increase  and 

pressure  variations.  This  effects  used  for  therapy  is  the  temperature  rise  due  to  the 

absorption of acoustic energy in the tissue. 

 

29

 


background image

CH 12 Sound

 

Ultrasound  waves  interact  with  tissue  primarily  by 

microscopic  motion  of  the  tissue 

particles

.  As  a  sound  wave  moves  through  tissue,  the  regions  of  compression  and 

rarefaction cause pressure differences in adjacent  regions of tissue. Stretching occurs 

in this region; 

if the stretching exceeds the elastic limit of tissue

, tearing results. This 

is why an eardrum can be ruptured by a very intense sound source.  

 

30

 


background image

Thank you

 

31

 


background image

Questions

 

32

 




رفعت المحاضرة من قبل: Haider Abdullah
المشاهدات: لقد قام عضو واحد فقط و 324 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل