Ultralyd, fysiske prinsipper Reidar Bjørnerheim Kardiologisk avdeling Oslo universitetssykehus, Ullevål R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 1
Ultralyd Definisjon: > 20.000 Hz I praksis: >1,5 MHz Egenskaper: retningsdirigeres i stråle følger lover om reflektering og refraksjon reflekteres av objekter med liten størrelse Konflikt: Resolusjon (oppløsning) Penetrasjon R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 2
Lydgenerering Piezoelektriske krystaller endrer dimensjon under elektrisk stimulering Elektrisitet trykkbølge (1/1000 av tid) Trykkbølge elektrisitet (999/1000 av tid) R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 3
Problemer med ultralyd formidles dårlig gjennom gass/luft reflekteres fullstendig av tette substanser (bein, kalsium, metall m.m.) multiple overganger gass/vev spesielt vanskelig, pga. stor akustisk mismatch R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 4
Energitap i ulike materialer (lyd 2 MHz) Materiale Energihalveringsdistanse (cm) Vann 380 Blod 15 Bløtvev (unntatt muskel) 5-1 Muskel 1-0,6 Bein 0,7-0,2 Luft 0,08 Lunge 0,05 R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 5
Lydbølge (trykkbølge) Max trykk Bølgelengde Amplityde (Power) Syklus Min. trykk R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 6
Ultralyd reflekteres og avbøyes b c a Medium 1 Medium 2 R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 7
Ulik reflektering fra ulike materialer Specular echoes (speil-refleksjon) Scattered echoes (spredd fra små objekter med svak reflektivitet) R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 8
Ulike typer ultralyd-elementer Singel element Multippel element (fasestyrt) Singel stort element R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 9
Matrix-transducer fotplate Multiple transducer-elementer i todimensjonalt nettverk. Grunnlag for fokusering i både x og y-plan Grunnlag for real time 3-D Pilene viser tykkelsen av et hodehår R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 10
Retningsdirigering av ultralydstråle Multippel element (fasestyrt) Singel stort element kan motorstyres Høyre og venstre del av bildet er ikke samtidig R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 11
Fokusering av ultralydstråle akustisk linse kurvatur av transduceroverflate elektronisk (phased array, fasestyrt) matrix-probe (fasestyrt i to plan) Nærfelt Fjernfelt R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 12
Utbredning av ultralyd R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 13
Frekvensavhengige egenskaper ved ultralyd Øket frekvens: Bedret x-y-oppløsning Redusert penetrans Kompromiss: Sende ut ultralyd ved en gitt frekvens, lytte etter den doble frekvensen (Octave imaging, Second harmonic imaging) R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 14
Ultralyd, fysiske egenskaper v = F λ ( 1540 m/s ) Penetrasjon: Oppløsning: Lateraloppløsning: Radialoppløsning (langs strålen): K λ K / λ Ca. 5 λ Ca. 3 λ v = hastighet F = frekvens λ = bølgelengde K= konstant R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 15
Problemer i ultralydavbildning sidelober reverberatsjoner skygger nærfelts virvar/rot (near field clutter) R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 16
Mange muligheter for feiltolkning Virkelig Ser ut som R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 17
Eksempel på sidelober LV Ao LA Artefakt i aortaroten? R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 18
Sidelober og reverberasjon Reverberasjoner: Gjenfinnes med like avstander, distalt for objektet, men kan også ses proksimalt Sidelober spres i bredden R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 19
Ekko-skygge R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 20
Aortaventil Eksempel på: Sidelober Skygger R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 21
Skarpest grense ved 90 R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 22
Bildekontroll på maskinen Gain Power Reject 2 1 R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 23
Lav og høy gain (påvirker bare skjermbildet) R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 24
Refleksjon, reverberasjon, interferens etc. R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 25
Doppler-prinsippet (1842) Stasjonær lydkilde: Bølgelengde og frekvens høres konstant Lydkilde som beveger seg mot lytter: Bølgelengde oppfattes kortere og frekvens høyere enn det som sendes ut Lydkilde som beveger seg fra lytter: Bølgelengde oppfattes lenger og frekvens lavere enn det som sendes ut R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 26
Doppler-prinsippet Lydkilde i bevegelse Frekvens Frekvens R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 27
) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Doppler-skift: (f d ) = f r - f t ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Sender Mottar f t Stasjonært objekt f r f t = f r ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Objektet beveger seg mot proben ))))))))))))))))))))))))))) f t > f r Objektet beveger seg fra proben ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) f t < f r R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 28
Doppler-prinsippet i ultralyd Stasjonær integrert lydkilde og sensor Lytter til reflektert lyd fra objekter i bevegelse filtersetting bestemmer om man lytter til langsom bevegelse (vevsdoppler) eller rask bevegelse (blodstrøm) R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 29
Forskjell på Doppler- og ultralyd-opptak Ultralyd-avbildning Høyest mulig frekvens Mest mulig vinkelrett på strukturen Doppler-registrering Lav utsendt frekvens Mest mulig parallelt til bevegelsen Dvs: Man lager ofte gode bilder når Doppler er uegnet og omvendt R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 30
Doppler Typer Pulset (måler i et definert målepunkt, eventuelt flere punkter langs strålen) Kontinuerlig (måler langs en stråle) Farge 2-D (visualiserer flow)( multippel pulset ) Farge-M-mode Hva måles? Hastighet Hva utledes? Trykk-gradienter Flow R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 31
Doppler vs avbildning Doppler Spektral-Doppler pulset kontinuerlig Farge-Doppler multippel pulset, mange stråler, hastigheter gjøres om til fargekoder Farge-M-mode Ultralyd-avbildning M-mode lydpulser langs stråle 2-D-bilde multiple stråler, fra mekanisk eller fasestyrt transducer M-mode R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 32
Effekt av vinkelfeil for Doppler-målinger R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 33
Effekt av vinkelfeil Grader avvik 0 5 10 15 20 25 30 35 Cosinus Målefeil 1 0 % 0,996 0,4 % 0,985 1,5 % 0,966 3,4 % 0,94 6 % 0,906 9,4 % 0,866 13,4 % 0,819 18,1 % R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 34
) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Kontinuerlig Doppler ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Sender Mottar f t Stasjonært objekt f r f t = f r ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Objektet beveger seg mot proben f t > f r ))))))))))))))))))))))))))) Objektet beveger seg fra proben ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) f t < f r R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 35
Pulset Doppler f t ) ) ) ) f t ) ) ) ) ) ) ) ) f r (((( f r (((( R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 36
Begrensning for pulset Doppler Begrenset evne til å måle høye hastigheter Øvre grense: Nyquist limit Nyquist limit = PRF / 2» lyden må rekke inn til riktig dybde og ut igjen før neste puls Nyquist grense avhengig av PRF (pulse repetition frequency) Dybde til observasjonsområdet Ultralydfrekvens R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 37
Flow i LVOT, pas. med AI Nyquist grense: Høyeste hastighet som kan måles ved en gitt dybde Kan omgås ved HPRF, får flere målepunkter, vet ikke hvilket som måler R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 38
Flow i LVOT, pas. med AI Pulset Doppler, Aliasing Kontinuerlig Doppler, ikke aliasing R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 39
Flow i LVOT ved farge-doppler Laminær flow + aliasing Prevalvulær hastighetsøkning? Hypertrofi? Insufficienser? Klaffesklerose/ -stenose R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 40
Aliasing R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 41
Aliasing i digitalt foto Høy pixeltetthet, stor fil, lite tap av informasjon Digitalt komprimert, lavere pixeltetthet, liten fil, mye tap av informasjon Tilsvarende for musikk, radio, telefon (digitalt formidlet) R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 42
Filtersetting bestemmer om man vil måle blod- eller vevshastighet R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 43
Den modifiserte Bernoulli-likningen Målt Doppler hastighet kan omregnes til trykk-gradient med likningen gradient = 4 (v 22 - v 12 ) Forutsetninger ikke viskøst energitap ikke treghets energitap ingen trykkgjenvinning ingen lokale trykkgradienter R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 44
Dopplerundersøkelse, oppsummering Hastighetsmåling Hastighetsområde avhengig av filtersetting Velg korrekt hastighetsområde før måling startes Velg riktig modus (pulset, kontinuerlig, farge) Obs. aliasing Vinkelavhengig!! Vinkelavvik < 20 R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 45
Ekkokardiografi, hjelpemidler Kontrastmidler Mikroskopiske luftbobler i bæresubstans Substans som koker i kontakt med blod Fysiologisk saltvann som ristes Oppladning ønskes i blod eller i vev, krever ulike egenskaper R Bjørnerheim, ekkokurs 2010 46