TFE4115 Ultralyd avbildning. Forelesning

Transkript

1 TFE4115 Ultralyd avbildning Forelesning

2 Cardiac Ultrasound Probes Scanner g Work station - Network GE Vingmed Ultrasound

3 Ultralyd avbildning brukes av de fleste medisinske spesialitetene, men også etter hvert innen primærtjenesten Generell ultralyd Kardiologi Vaskulært Obstetrikk Gynekologi Urologi Kirurgi Akuttmedisin Almen praktikere /KAI

4 Ultralyd refleksjon og transmisjon A B Refleksjon kan være spekulær (A), eller diffus (B), eller en blanding av begge. Dersom grenseflaten mellom 2 forskjellige typer vev er glatt sammenlignet med bølgelengden bli refleksjonen spekulær. Hvis den er ru sammenlignet med bølgelengden blir den diffus. Inne i vev hvor strukturen er grov blir det en kontinuerlig diffus spredning. I medisinsk avbildning må vev være delvis reflekterende og delvis transmitterende. Ved overgang til beinvev eller lungevev er refleksjonnen nesten fullstendig. Derfor er det nesten umulig å se gjennom dette.

5 Ultrasound pulse propagation and image point resolution

6 Ultrasound Imaging-Physical data Frequency: 2-15 MHz; wavelength mm Attenuation (2 way): 2-15dB/cm (2-15 MHz) Peak displacement:< 0.01% of wavelength Peak pressure: <1.5MPa Peak power: <150W/cm2 Peak average power: < 0.7W/cm KAI

7 Viktige parametre for bildekvalitet ved U/L avbildning -Penetrasjon Bestemmes av frekvens -Radiell oppløsning Bestemmes av båndbredde -Lateral oppløsning Bestemmes av apertur og frekvens -Lokal dynamikk Bestemmes av stråleprofil og båndbredde -Dynamiske forløp Bestemmes av bilderate (opptak) -Blodstrømsmåling Bestemmes av innskuddstap,dynamikk og støy i mottaker, samt Dopplerfiltrering /KAI

8 Resolution/Penetration Dilemma FDA Limit High Frequency Low Frequency

9 Embryo 7 uker. Ca 13 mm langt Simulert ultralydbilde Høyere frekvens gir bedre oppløsning

10 Ultralyd penetrasjon Attenuasjon 2 veis(strekkdempning): ca 1dB/MHzcm Ved hjerteavbildning: 15cm, 3 MHz, blir attenuasjonen 45dB. Ved fosteravbildning: 6cm, 6 MHz blir attenuasjonen 36dB Attenuasjon kompenseres ved tidsvariabel forsterkning (TGC), men vanligvis retter en ikke opp skjevheter i frekvensspekteret

11 A-mode M-mode movement with time depth movement with time Grey scale amplitude along beam at fixed time time

12 Radiell oppløsning - Radiell oppløsning er den minste avstand r i radiell retning mellom to punkt som vi kan se i bildet. - Den er bestemt av lengden til ultralydpulsen l. - Sammenheng mellom lengden av ultralydpulsen l og den elektriske pulsen som påtrykkes transduceren t er l= κc t hvor c er lydhastigheten, og κ er en størrelse som er større enn 1. - κ er lik 1 når t er mindre eller lik det inverse av båndbredden B til transduceren ( tb~1). - Når κ = 1, og c = 1500m/s blir l = 1,5 mm/ µs - Siden attenuasjonen øker proporsjonalt med frekvensen vil frekvensspekteret endre seg med dybden (tiden). Da vil også pulsformen endre seg noe med dybden. Den blir noe lengre slik at radiell oppløsning blir noe dårligere med økende dybde.

13 Real-time 2D B-mode Wall motion assessment ))) )))

14 Basisprinsipper 4 δr=cδt~c/b radiell oppløsning D Variabel elektronisk forsinkelse F a a(3db) ~Fc/f D ; ( f) frekvens Termisk indeks: max 1C oppvarming gir ~1W/cm2 Mekanisk indeks: max 1,5 MPascal gir peak effekt ~10W i fokus Effektbegrensning er en viktig del av konstruksjonsbetingelsene

15 m3s_6cm.mat max rms: x= 0.00, y= 0.00, z=0.00 mm t (µs) -10 db f (MHz) Comments: realistic level of 2.harmonic (+1MPa MPa) symmetric field larger scan area necessary, use symmetry and scan one quadrant only? Punktspredefunksjonen er et viktig begrep for å definere oppløsning i et bilde.

16 Lateral (sideveis) oppløsning - Lateral oppløsning ( x) er bestemt av transducerens utstrekning (diameter D), av avstanden til fokalpunktet Z, og av bølgelengden λ (dvs frekvensen f) ved linseformelen x = Zλ/D = Zc/fD hvor c er lydhastigheten - For en transducer med gitt diameter vil oppløsning i fokalpunktet avta med avstand til fokalpunktet. Dvs at lateral oppløsning avtar med dybden i bildet - Lateral oppløsning er normalt dårligere enn radiell oppløsning i ultralyd - Det er grense for hvor stor en kan gjøre transduceren D. Lokale variasjoner i lydhastighet gjør at en ikke vinner noe særlig ut over enn viss grense. - Siden x varierer med frekvensen f vil de forskjellig frekvenskomponentene i en puls ha forskjellig fokalbredde. Det medfører at pulsformen vil endre seg når vi flytter oss sideveis ut fra sentrum i fokus

17 Konfokal avbildning med dynamisk fokusering under mottak Fast fokus ved sending Tidsvariabelt (dynamisk) fokus ved mottak

18 Dynamic (time variable) focusing is used during reception to improve lateral resolution L1 L2 D T1=L1/v T2=L2/v Strålebredde i fokus (Lateral resolution) d (3dB)~λ x L2/D hvor λ er bølgelengden

19 Hovedklasser av prober Fasestyrte array Lineære array Kurvelineære array element 192 element 192 element... AMA, 1,5D (styrbar fokusering av sender)

20 Fill l / 2 Backing Transducer elements l/4 layer a) Fill l / 2 Backing Transducer elements l/4 layer Ved styring ut til siden vil den effektive transducerbredden bli mindre. Dvs bredden i fokalpunktet øker og lateral oppløsning blir dårligere. focus b)

21 0.1 xy_scan1.mat max rms: x= 0.50, y= 0.00, z=0.00 mm t (µs) db f (MHz )

22 a= 10 mm 10 mm 20 mm 30 mm 40 mm 50 mm 1s t harm pres s ure ampl (3.4 MHz) (db) 70 mm 110 mm 120 mm 130 mm 140 mm 150 mm

23

24 a= 10 mm 10 mm 20 mm 30 mm 40 mm 50 mm 2nd harm. pressure ampl. (db) 70 mm Biologisk vev er ulineært. Det vil derfor danne en 2de harmonisk frekvens av påtrykt puls som er proporsjonal med kvadratet til amplituden av den påtrykte puls. Sidelobene i den andreharmoniske blir derfor sterkt undertrykt. Ved å filtrere bort den opprinnelige pulsfrekvensen etter mottak kan vi lage et bilde som bare bruker den andreharmoniske i mottatt puls. Det gir en stor forbedring i lateral dynamikk. 110 mm 120 mm 130 mm 140 mm 150 mm

25 Lyden forandrer frekvens ved bevegelse ϕ κ κ β Bilens hastighet: 70 km/time ~ 6% av lyd-hastighet 1/12 Ét halvtone-trinn i 12-toneskalaen: 2 = 5.94 % Endring i frekvens (turtall): 6% + 6% = 12 %

26 Power Signal from tissue Signal from blood Variable Highpass filter Lowpass filter Noise Frequency Gaussian noise floor

27 Fill l / 2 Backing Transducer elements l/4 layer a) Fill l / 2 Backing Transducer elements Transducere må kunne styre og fokusere ultralydstrålen. Styring kan gjøres både mekanisk og elektronisk, men dynamisk fokusering kan bare gjøres elektronisk. Posisjonen til fokus må endres med lydhastigheten. Styring skjer ved at sendes en ultralydpuls i en ny retning 5-10 ganger hvert millisekund. focus b) l/4 layer

28 Piezoelectric transducer Piezoelectric slab Epoxy fill Load Impedance matching layer /4 /2 Backing a) Coaxial cable Electrical connection Piezoelectric slab Epoxy fill < /2 b)

29 Transducerelement for medisinsk avbildning a b a~20µm; b~60µm Kompositter av PZT: PZT Epoxy fill 1-3 kompositt Zm(PZT)= 34MRayl Zm(komp)=15MRayl Zm-mekanisk impedans CMUT: Air Silisium substrat Al SiN Membrantykkelse ~1µm Luftgap ~1µm Areal ~(10-50) µm sidekant Zm ~(0.5-5)MRayl, variabel med membrantykkelse. Mekanisk impedans for vev er ~1.5MRayl

30 Stråling fra 2 punktkilder. Interferens gir prefererte retninger og blinde retninger

31 Backing Mekanisk tilpasning PZT kompositt transducer Impedans inverter Kompositt transducer Match1 Zm~7.5MRayl Match2 Zm~2.5MRayl Kappe ~1.5MRayl Metallelektroder og limfuger er ikke vist. De må også tas med i en nøyaktig modellering. V Det Det kreves kreves komplekse komplekse strukturer strukturer for å for få stor å oppnå båndbredde lave konversjonstap og lave og konversjonstap stor båndbredde samtidig. samtidig

32 Ultrasound Imaging System Sensors Beam Former Signal Proc PC Display 64/ 128/ 256/ 512 Connect Server KAI

33 Digital Scanner A Digital Ultrasound System Digital Beamformer Mid Processors Post Processors Display RF Data Raw Data Video Advanced Research Image Processing Quantification RGB (analog) DICOM (digital)

34 4D Implementation issues Footprints 17x17mm 17mmØ Transmit pulse ~1.75Mhz/BW ~1Mhz Receive pulse at 2d harmonic Wavelength ~.85mm ~.42mm Number of elements ~3600 Probe cables < 256 independent cables within one umbilical Number of elements must merge into number of cables> active probe circuitry Element impedance incompatibel with cable impedance requires impedance transform in probe New probe technology is a demand Norsig201001KAI

35 Physics No shear waves, Attenuation ~0.6dB/MHzcm Density ~water (1000 kg/m3) Propagation velocity ~1450 m/s Mechanical impedance ~1.45 MRayl Frequencies ~1.5MHz 15MHz (50MHz) Wavelength ~1mm - 0.1mm (30µm) Mechanical index MI= {MPa}/sqrt{MHz}<1.5 Ergonomy Probe weight~150g Cable: Length ~220cm, 256 coax inside max 15mm umbillical, weight max 200g. Power surface temp max 40C; max 3W dissipation without forced cooling. Transducers PZT: Zm = 33MRayl,[Rayl]=[kg/sm2] Ze~200ohm, BW ~50% w/acoustic matching PZT composites Zm = 15MRayl, Ze~350ohm, BW ~75% w/acoustic matching Max area: wavelengths both ways. Heart: 15-20mm both ways (anatomical access) Independent elements: 48 to 256 (in both directions w/3d)

36 Produktlivskart TFE4115 Faser i et produktliv Interne aktører Innovasjon Marked -Definere elementer av spesiell verdi for kunden samt sikre minimums krav Teknikk -Teknisk realiserbarhet. Anslå produksjonskost -Teknisk innovasjon/ patentering Økonomi -Forretningsskisse -Prosjektfinansiering -Organisasjons aksept Spesifikasjon -Utvikle full funksjonsspec -Prosjektplan -Teknisk detaljspec - Forretningsplan Prototyping -Justere spec -Bygge prototyp/ Etablere produksjonsunderlag -Verifisere prodkost -Justere forretningsplan - Go/no go beslutning Produksjon -Salgsprognoser -Kostnadsreduksjon/ kvalitetsforbedring/ Marked/Salg -Markedsintroduksjon Vedlikehold/ service -Godkjenne pris/volum strategi Terminering - End of life strategi -Sikre service behov -Godkjenne termineringsplan KAI