Ultralyd. Teori og Apparatlære. Tor Skatvedt Egge Bilde- og intervensjonsklinikken Oslo universitetssykehus, Rikshospitalet

Transkript

1 Ultralyd. Teori og Apparatlære. Tor Skatvedt Egge Bilde- og intervensjonsklinikken Oslo universitetssykehus, Rikshospitalet

2 Historisk utvikling ultralyd Lord Raylaigt: Theory of Sound 1880 Jean og Pierre Curie oppdaget piezo-elektrisk effekt 1912 Titanic. Britiak fysiker Richardson fremsetter teori om at isfjell kan oppdages med lydimpulser 1917 Langevin. Eksperimenter for metode til å oppdage u-båter. Fortsatt manglende teknisk utrustning for generering av elektriske impulser 1927 Første artikkel om mulige skadevirkninger av ultralyd

3 Historisk utvikling (forts) 1937 S. Y. Sokolov Materialtesting med ul. samt konstruksjon av ultralydanalog til TV. I løpet av 1930-årene var det utviklet katodestrålerør CRT og TV 1942 Brødrene Dussik. Forsøk på ultralydfremstilling med absorpsjonsprinsippet, skyggegrafi Langsom utvikling til tross for både teoretisk 1948 og teknologisk grunnlag for forbedringer. Atomenergi. Perfekt Rtg

4 Hode i følge brødrene Dussik

5 Vannbad

6 Historisk utvikling (forts) 1949 Tre forskjellige grupper i USA: Ludwig og Strutters. A-mode. Gallesten og fremmedlegemer. Wild A- og B- Mode. Histopatologi. 15 MHz. Stor dynamic range. Howry A-og B-mode. rekonstruksjonstomografi. CNS 1954 Edler og Hertz M-mode 1956 Satomura. Doppler 1958 I. Donald. Undersøkelse av gravide 1964 Første komersielle B-scanner

7 Vevskarakteristikk anno 1949 Wild 15 MHz Kombinert A- og B-mode

8 Endoskopisk ultralyd anno 1957

9 Historisk utvikling (forts) 1969 First World Congress of Ultrasound in Medicine. (Wien) Fortsatt Long persistence CRT eller bistable på nesten alle apparater. Ofte ufokuserte lydhoder med frekvens 1-2 MHz 1970 Linear and phased array Digital ultralyd Utvikling av fargedoppler. Forsøk med ultralydkontrast, klinisk anvendelse i cardiologi Ultrasound angio; Color Doppler Energy: CDE Fulldigitaliserte apparater. 3-D

10 Lever anno 1973

11 Ultralydfysikk og apparatlære. I motsetning til ved Rtg. undersøkelser der vi registrerer hvordan vevet penetreres av fotoner dannes ultralydbilder ved at lydbølger reflekteres fra det undersøkte organ.

12 Ultralydfysikk. frekvens Infralyd 0-20 Hz Hørbar lyd 20Hz - 20 khz Ultralyd Mer enn 20 khz

13 Lydhastighet = Bølgelengde x frekvens V = λ x f Lydhastigheten i et medium er konstant, ved høy frekvens vil bølgelengden reduseres. Kort bølgelengde er en forutsetning for refleksjon fra små objekter.

14 Bølger Kan være: Transverselle eller longitudinelle. I gasser og væsker kan bølgebevegelsen kun være longitudenell.

15 Utbredelse av ultralydbølge. Kompresjon Ekspansjon Bølgelengde λ

16 Trykk/energi/frekvens

17 Karakteristisk akustisk impedans (kai) Lydgjennomgang i vev bestemmes av produktet av lydhastighet og tetthet.

18 kai Refleksjon av lyd skjer på grenseflaten mellom to vev med forskjellig karakteristisk akustisk impedans. Stor forskjell i kai gir kraftig ekko, men for å få bilde også fra dypereliggende strukturer må det meste av energien passere hver grenseflate.

19 Lydhastighet og karakteristisk akk. impedans i noen materialer Materiale lydhastighet m/s kai Luft 331 0,0004 Vann ,48 Aluminium ,0 Fett ,38 Blod ,61 Lever ,65 Cranium ,80

20 Refleksjon på grenseflaten mellom to vevstyper. ρ 1 x v 1 ρ 2 x v 2

21 Ulike former for refleksjon: Speilende ekko: Svært mye lydenergi kastes vinkelrett tilbake fra store plane flater, eks diafragma og skalle. Spredt ekko: Vanligste form for refleksjon i ultralyddiagnostikk Refleksjonen kommer fra flater med størrelse omtrent som bølgelengden. 1 MHz 1,5 mm, 10 MHz 0,15 mm Raleight reflekjon Ekko fra flater som er små i forhold til bølgelengden, f.eks. erythrocytter. Ekkostyrken øker med f 4

22 Transmisjon Ved passasje av perpendikulære flater kan man definere gjennomgangen eller transmisjonen T på grenseflaten mellom to ulike vevstyper. T = 0,99 betyr at 99 % av energien transmitteres, bare 1 % reflekteres. (eks. fett / muskel)

23 Transmisjon

24 Transduser. Både sender og mottaker av ultralydimpulser. Tidligere ble det benyttet kvartskrystaller. Nå piezoelektriske keramiske legeringer som f.eks. bly-zirkonat-titanat.

25 Molekyloppbyggingen i et piezoelektrisk krystall. Ubelastet Belastet

26 Stråleprofil Bestemmes av størrelse og form på krystallet samt ultralydfrekvensen. Initialt går lyden parallelt i nærfeltet for deretter å spre seg i fjernfeltet. Nærfeltet blir lenger og spredningen mindre om frekvensen øker. (Kortere bølgelengde)

27 Stråleprofil Θ d T Nærfelt T = (d/2) 2 / λ Fjernfelt sin Θ = 1.22 λ / d

28 Diffraksjon En ultralydbølge vil divergere i vev. Liten diameter på krystallet gir stor diffraksjon som begynner tidlig.

29 Diffraksjon avhengig av krystallstørrelse

30 Tap av ultralydenergi i vev; 80 % Absorpsjon Attenuasjon 20 % Refleksjon og spredning. Refleksjon kan komme opp mot 100% ved speilende flater. Ekkotomme strukturer vil vanligvis også ha lav absorpsjon, noe som fører til ekkoforsterkning i dybden. Det kan også være lav absorpsjon i væsker med reflekterende innhold som f.eks. puss. Her vil det også være ekkoforsterkning under til tross for høy ekkogenesitet.

31 Energitap ved vevsgjennomgang. Absorpsjon, refleksjon og spredning. Væske Fast vev

32 Tap av ultralydenergi i vev For å kompensere for energitapet ved vevsgjennomgang vil ultralydbølgen bli førsterket i økende grad jo lenger tid det tar fra utsendelse til mottak. I tillegg har apparatene mulighet for å justere forsterkningen fra forskjellige dyp. Dette kalles Time Gain Compensation; TGC og brukes når lydbølgen går gjennom vev med ulik absorpsjon

33 TGC

34 Absorpsjon i forskjellig biologisk vev. Vevstype α x 10 2 (cmmhz) -1 Blod 2 Fett 7,5 Hjerne 10 Lever 11 Nyre 12 Muskel, langs fiberretningen 15 Muskel, tvers av fiberretningen 38 Skalle 230

35 Oppløsning. Axial I bølgens retning. Øker med høy frekvens, dvs. kort bølgelengde. Lateral Vinkelrett på lydbølgen. Best med smal bølge.

36 Axial oppløsning Lydenergien sendes ut i korte støt. Ved høy frekvens, dvs. kort bølgelengde kan impulsen være kortvarig og allikevel inneholde nok svingninger til å kunne analyseres etter mottak. Avstanden mellom to reflekterende flater må være minst halvparten av lengden på ultralydimpulsen. Høy frekvens gir derfor bedre axial oppløsning.

37 Axial oppløsning avhenger av impulslengden.

38 Fokusering. Fokusert lydstråle gir bedre lateral oppløsning

39 Fokusering av ultralydbølgen T F F = T F F = T/2

40 Fokusdybde

41 Lydhodeteknologi. Phased array Linear array Curved linear array Lydhodene består av et stort antall enkeltelementer, f.eks Dette er ikke nødvendigvis samsvarende med antall kanaler i elektronikken.

42 Oppbygning av lineært lydhode

43 Lydhodeteknologi (forts) I et optimalt system er den teoretisk gunstigste bredde på de enkelte lydhodeelementene 1/2 λ Ved 5 Mhz er bølgelengden λ ca 0.3 mm.

44 Egenfrekvens

45 Ulike teorier for lydhodedesign. Multifrekvens Bredbånd Energi Energi MHz MHZ

46 Ulike teorier for impulsprofil Bredbånd Lydhodet sender i et relativt vidt frekvensområde, f.eks MHz. Dersom teknikken tillater at det i den første tiden kun lyttes i det høyeste frekvens-området, senere lavere, vil en i teorien kunne danne et bilde der forholdet mellom billeddybde, oppløsning og penetrasjon er optimal.

47 Ulike teorier for impulsprofil (forts) Multifrekvens lydhoder Teorien bygger på at signalet blir optimalt når det har en dominerende hovedfrekvens i den enkelte impuls. Hvert lydhode kan sende flere hoved-frekvenser, valgt av operatøren avhengig av undersøkelsesbetingelsene. Selv disse impulsene vil inneholde en viss spredning av frekvensen, p.g.a. ulik attenuasjon vil de lavere frekvenser dominere fra de dypestliggende strukturene.

48 Oppløsning relatert til lydhodeteknologi. En prikk vil avbildes forskjellig ved ulik teknologi God lateraloppløsning på bekostning av axial God axialoppløsning på bekostning av lateral.

49 Relasjon mellom utsendt og mottatt frekvens. Relat. energi Relat. energi MHz MHz

50 Billeddannelse Lyden sendes ut i pulser. Etter at transduseren har sendt en meget kort lydimpuls vil den ha en betydelig lenger lytteperiode. Dette bestemmer frameraten. Forholdet mellom impulslengden og lyttetiden varierer med lydhodets egenskaper og dybden som ønskes us.

51 Signalutsendelse Lyttetid Bildedannelse Gjennomsnitthastighet i biologisk vev er 1540 m/s, dvs 1 cm på 0,007 ms Reflektert lyd kommer tilbake før neste impuls sendes ut.. Energien gir opphav til kompresjon av krystallet, og det genereres en strøminnpuls. Tiden impulsen bruker fra utsendelsen til den igjen når transduseren definerer avstanden til reflektoren, styrken på impulsen avgjør hvordan den blir avbildet.

52 Ulike metoder for billeddannelse (forts) Digital beamforming. Lydimulsen som kommer tilbake til lydhodet genererer et analogt strømsignal. De ulike apparatene digitaliserer bildet på forskjellig nivå i forhold til videre bearbeiding. På de fleste apparater utviklet i de siste år skjer digitaliseringen så tidlig som mulig.

53 Skisse for oppbygging av ul. apparat

54 Ulike fremstillingsmåter av ultralydinformasjon A - mode Amplitude B - mode Brightnes M - mode Motion

55 A-B-M mode

56 Apparat-typer. Compound Mekanisk sektor Phased og linear array Endoskopi, endocavitær samt intravasal probe

57 Compoundscanner

58 Compound-bilde

59 Sektorbilde

60 Lateral oppløsning

61 Lateral oppløsning (forts)

62 Beam sweep

63 Speckle Grenseflater med stor forskjell i acustisk impedans vil gi tydelig ekko. Det vil også oppstå en mengde ekko som i seg selv er for små til å gi signal, men som kan interferere med andre og forsterkes til registrerbare signaler. Dette kalles coherent speckle, og er ansvarlig for vevskarakterestikken

64 Speckle (forts.) Vevskarakterestikken er således ikke en direkte avbildning av anatomiske strukturer, og kan tildels tilsløre disse. Frame averaging vil i noen grad kompensere for dette, man er da avhengig av lite bevegelse av lydhode og pasient.

65 Elektronisk fokusering og styring av ul. impuls

66 Fokusering ved mottak

67 Digital imaging BITS BInary digits 0 og 1 PIXEL PIcture X ELement VOXEL VOlume X ELement SONAR SOund Navigation And Ranging RADAR RAdio Detection And Ranging

68 Digital registrering 0 1. OBS frekvens

69 Dybdestudier.

70 Digital imaging (forts) Ul. impulsene som kommer tilbake til lydhodet induserer en strøminpuls, et analogt signal med samme frekvens som utsendt impuls. Radio Frekvensy, RF, forsterkes. Via en Analog til Digital Converter, ADC, kan signalet digitaliseres, dvs. gis en tallverdi i et tid/volt koordinatsystem Opptil 25 mill avlesninger pr. sek. mulig, dvs. en avlesning på mindre enn 40 nanosekunder.

71 RF-forsterkning

72 Digital imaging (forts) Det er vanskelig å lese av RF signalet med stor nøyaktighet. Vanligvis foretas en omforming til videosignal, glattes ut. For å karakterisere et videosignal trengs langt færre avlesninger, i størrelsesordenen 4 mill/sek. Denne reduserte presisjonen kan tolereres fordi det er svært stor dynamic range, de sterke signalene har energi på opptil 100 mill ganger de svakeste. Selv etter TGC er forskjellen 350 / 1. Dette sprenger kapasiteten på en videoskjerm.

73 Danning av videosignal

74 Forskjell på digitalt og videosignal

75 Oppbygning av lineært lydhode

76 Lineær interpolering

77 Interpolasjon sektorscanner

78 Dynamic Range Lydstyrke måles i db Dette er en relativ verdi som defineres som forskjellen på lydenergi i to signaler uttrykt logaritmisk.

79 Bels B Positive decibel db Dynamic range Forholdet mellom relativ intensitet, Bel; positiv og negativ decibel; samt gjennværende energi i en ultralydbølge. Intensitet (W att/cm 2 ) Negative decibel (-db ) Energi tilbake i signalet % /10 1 1, /10 2 1, /10 3 2, /10 4 2, /10 5 3, /10 6 3, , , , , , ,000001

80 Post-prosessing: Compression. a: Logaritmisk kurve. Forsterker forandringer i svake ekko. b: Sigmoid kurve.undertrykker svake ekko, tydeliggjør forandringer i middels-sterke signaler. c: Lineær forsterkning d: Eksponensialkurve. Markerer form. e: Lineær med negativ helning.

81 Post prosessing

82 Edge enhancement

83 Forstørrelse

84 Avstandsmålinger

85 Gamma-korreksjon Gamma 1 Gamma 3

86 Apparatinnstilling Valg av program Valg av lydhode Justering av Gain Justering av Time Gain Control. Tap gjennomsnittig 0,5-1,5 db/cm/mhz Eventuell justering av utsendt energi W/cm 2 Justering av fokus. Obs framerate ved flere fokuspunkter.

87 Apparatinnstilling (forts) De fleste apparater har mulighet for å skreddersy programmer til ulike applikasjoner, eventuelt også justert etter ulike lydhoder. Slike programmer lages oftest i samarbeid med applikasjonsspesialist. Til tross for dette kan det være nødvendig å endre enkelte parametre i løpet av undersøkelsen: Persistens Grad av real-time, avhengig av bevegelse. Dynamic range db vinduet Svertningskurve

88 Artefacter Man made Reverberasjons-artefact Komethale-artefact Speilbilde-artefact Beam-sweep-artefact Grating lobe artefact Kantskygge-artefact Ekkoforsterkning? Brytning?

89 Teknisk utvikling siste årene. Sammenslåing av flere ultralydprodusenter kan være et uttrykk for tung teknologi. Siemens og Acuson Philips og ATL GE og Wingmed

90 Tissue harmonic prinsipp

91 Tissue harmonic

92 Teknisk utvikling. Real time compound scanning

93 Teknisk utvikl. forts. Coded Excitation: prinsipp for å øke energi i puls, har tradisjonelt vært gjort ved hjelp av flere pulser. Kan nå ved såkalt Chirp Coded Excitation gjøres med en puls. Mulig å scanne dypere med høy frekvens Høy framerate. Hanafy Lens: Fokuserer ultralydbølgen i planet vinkelrett på elementrekken på samme måte som multiarray. TEQ: Tissue Equalisation Technology. Automatisk optimalisering basert på rådata før bildedannelse.

94 Hanafy linse

95 Fokusering av ultralydsignalet

96 Chirp

97 Standard Transmit Focus

98 Dynamic Transmit Pulse

99 Sonoelastografi Metode til å bestemme fastheten i vev Fastheten ulik i maligne og benigne strukturer Elastografi kan gi mål på fastheten i vev når det legges lett trykk på ultralydtransduseren Denne teknikken er fortsatt i utprøvningsfasen

100 Sonoelastografi. Strain index Sonoelastografi karakteriserer vevets interne elastiske egenskaper ved å kvantifisere det trykket som skal til for å deformere vevet samt hvor raskt endringen skjer. Akt: Mamma, Prostata, Cervix, Lymfeknuter. Ref: Cervical lymf node metastases: diagnosis at sonoelastografphy initial exprience. Lyshchik A, et al. Radiology 2007

101 Fra Lyshchik: Maligne og benigne lymfekn. ved sonoelastografi