Ultralyd, fysiske prinsipper Reidar Bjørnerheim Hjertemedisinsk avdeling Oslo niversitetssykehs, Ullevål R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 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: Resolsjon (oppløsning) Penetrasjon R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 2
Lydgenerering Piezoelektriske krystaller endrer dimensjon nder elektrisk stimlering Elektrisitet trykkbølge (1/1000 av tid) Trykkbølge elektrisitet (999/1000 av tid) R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 3
Problemer med ltralyd formidles dårlig gjennom gass/lft reflekteres fllstendig av tette sbstanser (bein, kalsim, metall m.m.) mltiple overganger gass/vev spesielt vanskelig, pga. stor akstisk mismatch R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 4
Energitap i like materialer (lyd 2 MHz) Materiale Energihalveringsdistanse (cm) Vann 380 Blod 15 Bløtvev (nntatt mskel) 5-1 Mskel 1-0,6 Bein 0,7-0,2 Lft 0,08 Lnge 0,05 R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 5
Lydbølge (trykkbølge) Max trykk Bølgelengde Amplityde Sykls Min. trykk R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 6
Ultralyd reflekteres og avbøyes b c a Medim 1 Medim 2 R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 7
Ulik reflektering fra like materialer Speclar echoes (speil-refleksjon) Scattered echoes (spredd fra små objekter med svak reflektivitet) R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 8
Ulike typer ltralyd-elementer Singel element Mltippel element (fasestyrt) Singel stort element R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 9
Retningsdirigering av ltralydstråle Mltippel element (fasestyrt) R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 10
Foksering av ltralydstråle akstisk linse krvatr av transdceroverflate elektronisk (phased array, fasestyrt) matrix-probe (fasestyrt i to plan) Nærfelt Fjernfelt R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 11
Utbredning av ltralyd R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 12
Freqency dependent properties of ltrasond Increased freqency: Improved x-y resoltion Redced penetration Solving a problem: Transmit at a given freqency, receive at twice this freqency (Octave imaging, Second harmonic imaging) R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 13
Ultralyd, fysiske egenskaper v = F λ ( 1540 m/s ) Penetrasjon: Oppløsning: Lateraloppløsning: Radialoppløsning (langs strålen): K λ K / λ Ca. 5 Ca. 3 λ λ v = hastighet F = frekvens λ = bølgelengde K= konstant R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 14
Image resoltion of ltrasond Vis ibility of objects (2-D res oltion): Appr. 3 wavelengths radially Appr. 5 wavelengths laterally Wavelength = Velocity Freqency 1540 m/s 7.5 MHz = 0.2 mm 7.5 MHz: Vis ible object: 0.6 mm radially, 1 mm laterally 2.5 MHz: Vis ible object: 1.8 mm radially, 3 mm laterally Higher freqencies increas e image res oltion R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 15
Problems in ltrasond imaging side lobes reverberations shadowing near field cltter R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 16
Mange mligheter for feiltolkning Virkelig Hdoverflate Ser t som R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 17
Eksempel på sidelober LV Ao LA Artefakt i aortaroten? R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 18
Sidelober og reverberasjon R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 19
Ekko-skygge R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 20
Aortaventil Eksempel på: Sidelober Skygger R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 21
Bildekontroll på maskinen Gain Power Reject 2 1 R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 22
Different presentations of ltrasond data A: amplitde mode B: brightness mode (mltiple B-mode 2 D) M: moving mode R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 23
Ekkokardiografi M-mode tidsoppløselighet lineær dimensjon 2-dimensjonal ekko (brightness, B-mode) tverrsnitt-form bevegelse areal R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 24
Parasternal langakse R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 25
M-mode R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 26
M-mode av mitralringen Alternativ: Vevsdoppler R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 27
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 t Lydkilde som beveger seg fra lytter: Bølgelengde oppfattes lenger og frekvens lavere enn det som sendes t R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 28
Doppler-prinsippet Lydkilde i bevegelse Frekvens Frekvens R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 29
Doppler-skift: (f d ) = f r - f t Sender Mottar ) ) ) ) f t ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) f r ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ))))))))))))))))))))))))))) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Stasjonært objekt f t = f r Objektet beveger seg mot proben f t > f r Objektet beveger seg fra proben f t < f r R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 30
Doppler-prinsippet i ltralyd 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, Ekkokrs 2009 31
Tisse Doppler Imaging R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 32
Doppler Typer Plset (måler i et definert målepnkt, eventelt flere pnkter langs strålen) Kontinerlig (måler langs en stråle) Farge 2-D (visaliserer flow)( mltippel plset ) Farge-M-mode Hva måles? Hastighet Hva tledes? Trykk-gradienter Flow R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 33
Kontinerlig Doppler Sender Mottar ) ) ) ) f t ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) f r ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ))))))))))))))))))))))))))) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) Stasjonært objekt f t = f r Objektet beveger seg mot proben f t > f r Objektet beveger seg fra proben f t < f r R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 34
Doppler-probe, ødelagt krystallgrppe R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 35
Sammenheng mellom Doppler-frekvens (Doppler-skift), hastighet og ltralydfrekvens Doppler freqency, FD (khz) 16 12 8 4 0 f d =2f 0 (v co s Q / c ) 5 MHz 2 MHz f 0 = 1 MHz 0 1 2 3 4 5 6 v co s Q (m/s ) Man måler lettere høye hastigheter med lav tsendt frekvens f 0 (dvs. 2 MHz) Hatle & Angelsen 1985 R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 36
Plset Doppler f t ) ) ) ) f t ) ) ) ) ) ) ) ) f r (((( f r (((( R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 37
Begrensning for plset Doppler Begrenset evne til å måle høye hastigheter Øvre grense: Nyqist limit Nyqist limit = PRF / 2» lyden må rekke inn til riktig dybde og t igjen før neste pls Nyqist grense avhengig av PRF (plse repetition freqency) Dybde til observasjonsområdet Ultralydfrekvens R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 38
Flow i LVOT, pas. med AI Plset Doppler Aliasing R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 39
Flow i LVOT, pas. med AI Plset Doppler, Aliasing Kontinerlig Doppler, ikke aliasing R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 40
Den modifiserte Bernolli-likningen Målt Doppler hastighet kan omregnes til trykk-gradient med likningen gradient = 4 (v 22 - v 12 ) Fortsetninger ikke viskøst energitap ikke treghets energitap ingen trykkgjenvinning ingen lokale trykkgradienter R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 41
Ekkokardiografi, hjelpemidler Kontrastmidler Mikroskopiske lftbobler i bæresbstans Sbstans som koker i kontakt med blod Fysiologisk saltvann som ristes Oppladning ønskes i blod eller i vev, krever like egenskaper R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 42
Ultralyd, oppsmmering Non-invasiv Informasjon om strktr og fnksjon Krever ikke kontrast/medikamenter Men kan sppleres (stress-ekko, kontrast etc.) Mobilt Rimelig (tstyrsavskrivning, probefornying) Utøveravhengig kvalitet R Bjørnerheim, Ekkokrs 2009 43