Valintakoe B: Lääketiede ja biotieteet
Miten ultraäänikuvaus ja Doppler-mittaus toimivat?
Ultraäänikuvauksessa anturi lähettää kudokseen yli 20 kHz:n ääntä, lääketieteessä megahertsien taajuudella, ja mittaa ajan, jossa kaiku palaa kudosten rajapinnoista. Rajapinnan syvyys lasketaan kaavalla s = vt/2, koska ääni kulkee matkan edestakaisin. Doppler-mittauksessa liikkuvista punasoluista heijastuneen äänen taajuus muuttuu, ja muutoksesta lasketaan veren virtausnopeus ja suunta.
Äänen nopeus pehmytkudoksessa on noin 1 540 m/s. Kaiku syntyy rajapinnasta, jossa kudosten akustinen impedanssi muuttuu. Ilma heijastaa ääntä lähes kokonaan, minkä vuoksi anturin ja ihon väliin laitetaan geeliä.
Taajuuden valinta on kompromissi. Korkea taajuus antaa lyhyen aallonpituuden ja siksi tarkan kuvan, mutta vaimenee kudoksessa nopeasti. Pinnallisia rakenteita kuvataan korkealla taajuudella, syviä matalammalla.
Kun punasolut liikkuvat kohti anturia, kaiun taajuus kasvaa, ja kun ne liikkuvat poispäin, taajuus pienenee. Taajuusmuutos on verrannollinen nopeuden anturin suuntaiseen komponenttiin, joten mittauskulma vaikuttaa tulokseen. Ultraääni on mekaanista aaltoliikettä eikä ionisoivaa säteilyä.
Kaava
s = v · t / 2, λ = v / f, Doppler: Δf = 2 · f · v_veri · cos θ / v_ääni
Esimerkki
Kaiku palaa rajapinnasta 1,3 · 10⁻⁴ s kuluttua pulssin lähettämisestä, ja äänen nopeus kudoksessa on 1 540 m/s. Kuinka syvällä rajapinta on? Kuinka suuri on taajuusmuutos, kun 5,0 MHz:n ultraääni heijastuu verestä, joka virtaa 0,50 m/s suoraan kohti anturia?
- Ääni kulkee matkan d = 1 540 m/s · 1,3 · 10⁻⁴ s ≈ 0,200 m.
- Matka on edestakainen, joten syvyys on s = 0,200 m / 2 = 0,100 m eli 10 cm.
- Taajuusmuutos: Δf = 2 · 5,0 · 10⁶ Hz · 0,50 m/s / 1 540 m/s ≈ 3 200 Hz eli noin 3,2 kHz.
- Jos virtaussuunta ja äänen suunta muodostavat 60°:n kulman, muutos puolittuu noin 1,6 kHz:iin, koska cos 60° = 0,5.
Tyypillinen virhe
Tavallinen virhe on unohtaa jakaa kulkuaika kahdella, jolloin syvyys tulee kaksinkertaiseksi. Doppler-kaavan kerroin 2 tulee samasta syystä: ääni heijastuu liikkuvasta kohteesta, joten taajuus muuttuu kahdesti.
Valintakokeessa B
Aallot ja ääni kuuluvat lukion fysiikkaan. Valintakokeen B fysiikan osio on vuoden 2026 tietojen mukaan lääketieteen, hammaslääketieteen ja eläinlääketieteen hakijoille, ja kuvantamismenetelmän fysikaalinen periaate on sen luonteva sovellus.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe B -kurssin luvussa 22: Sähkö, aallot ja lääketieteellinen kuvantaminen. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Miksi ultraäänessä käytetään geeliä?
Ilman ja ihon akustiset impedanssit poikkeavat toisistaan hyvin paljon, joten ilmarako anturin ja ihon välissä heijastaisi lähes kaiken äänen takaisin. Geeli syrjäyttää ilman, ja sen impedanssi on lähellä kudoksen impedanssia, joten ääni pääsee kudokseen ja kaiut palaavat anturiin.
Onko ultraääni haitallista sikiölle?
Ultraääni ei ole ionisoivaa säteilyä, joten se ei aiheuta samanlaisia DNA-vaurioita kuin röntgensäteily. Siksi sitä käytetään raskauden seurannassa. Suurella teholla ultraääni voi lämmittää kudosta, minkä vuoksi diagnostisten laitteiden tehoja rajoitetaan ja tutkimus tehdään tarpeen mukaan.