Transcript of Ultrasound = echografie Met dank aan Jeroen De Geeter voor technische bijstand.
- Dia 1
- Ultrasound = echografie Met dank aan Jeroen De Geeter voor
technische bijstand
- Dia 2
- Basisprincipe Ultratonen leveren informatie over weefsels omdat
zij worden weerkaatst op de grens tussen akoestisch verschillende
media . Zo ontstaan echos die worden opgevangen en waaruit een
beeld wordt samengesteld Ultrasound Transdu cer Weefsels
- Dia 3
- Ultrasound Het menselijk oor neemt enkel geluiden waar met een
frequentie van 20 Hz tot 20.000 Hz: overtuig jezelf op
http://www.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html. Akoestische signalen
met een hogere frequentie (=ultrasound) gedragen zich evenwel
fysisch net zoals hoorbare geluidsgolven. Voor medische
toepassingen wordt ultrasound gebruikt met frequentie in het gebied
van MHz.http://www.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html
- Dia 4
- Geluidsgolven Golven ontstaan doordat de tussenstof (waarin de
golf zich beweegt) wordt samengedrukt (door de geluidsbron), zodat
de moleculen plaatselijk korter bij elkaar komen te zitten: de
tussenstof wordt daar dichter. Deze zone van verdichting gaat zich
in de tussenstof verplaatsen met een bepaalde snelheid. Die
snelheid hangt af van de akoestische eigenschappen van de
tussenstof, om precies te zijn van de akoestische impedantie. Dit
fenomeen is te vergelijken met een metalen veer waardoorheen zich
enkele samengedrukte ringen verplaatsen:
http://www.youtube.com/watch?v=ubRlaCCQfDk&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=ubRlaCCQfDk&feature=related De
geluidsbron (bijvoorbeeld een trillende stemvork) veroorzaakt
echter niet alleen een verdichting van de tussenstof. Meteen daarna
maakt de bron immers een tegengestelde beweging, zodat nu de
tussenstof juist ijler gaat worden. De twee bewegingen van de
geluidsbron wisselen elkaar cyclisch af. Zo ontstaan opeenvolgende
verdichtingen en verijlingen van de tussenstof, die zich doorheen
de tussenstof propageren aan dezelfde snelheid. Op eenzelfde
lokalisatie in de tussenstof wisselen de verdichtingen en
verijlingen elkaar af met dezelfde frequentie als waarmee de
geluidsbron trilt.
- Dia 5
- Geluidsgolven Dit zijn de golven veroorzaakt door een stemvork
in de lucht. De dichtheid van de luchtmoleculen wordt weergegeven
door de streepjes. Op een bepaalde plaats kunnen we de dichtheid
uitzetten in functie van de tijd. Die curve ziet er zo uit . Op een
bepaald tijdstip kunnen we de dichtheid uitzetten in functie van de
afstand tot de geluidsbron. Dit is wat je bekomt . dichtheid
afstand dichtheid tijd
- Dia 6
- Geluidsgolven We hernemen de twee curven van vorig plaatje. Op
de bovenste curve definiren we de periode T als de tijd tussen twee
opeenvolgende toppen. Frequentie f is het omgekeerde van T, dus
1/T. Op de onderste curve definiren we de golflengte als de afstand
tussen twee opeenvolgende toppen. De voortplantingssnelheid van het
geluid is het product van frequentie met golflengte. Zoals reeds
gezegd wordt ze bepaald door de tussenstof. dichtheid afstand
dichtheid tijd T Snelheid = f X
- Dia 7
- Interactie met materie Net zoals lichtgolven, zijn ook
geluidsgolven onderhevig aan breking (refractie) en terugkaatsing
(reflectie). Terugkaatsing vindt plaats op het scheidingsvlak
(interface) tussen tussenstoffen met verschillende akoestische
impedantie. Dit fenomeen is des te belangrijker naarmate de
impedanties meer verschillen. Het principe van ultrasound
beeldvorming berust op terugkaatsing. Breking verstoort de
beeldvorming. Ultrasound verliest energie naarmate hij dieper in
tussenstoffen doordringt (voornamelijk door omzetting in warmte):
dit fenomeen heet verzwakking of attenuatie. Attenuatie is meer
uitgesproken naarmate de ultrasound hogere frequentie heeft.
Attenuatie hangt ook af van de tussenstof (is bvb. sterker in lucht
of in bot dan in water). Ook attenuatie is ongewenst voor de
beeldvorming. In weefsels zijn kleine reflectoren aanwezig, die
gelijktijdig een ultrasoundpuls kunnen reflecteren. Dit geeft
aanleiding tot meerdere gelijktijdige echos. Hun interactie
veroorzaakt de typische spikkels (speckle) in het ultrasoundbeeld.
Ze verminderen de resolutie van het beeld.
- Dia 8
- Interactie met materie Voor enkele weefsels vind je hier hun
akoestische impedantie en de snelheid van (ultra)geluid erin. Voor
enkele interfaces vind je hier hoe efficint ze het (ultra)geluid
weerkaatsen. Hoe kleiner het verlies, hoe beter de interface het
geluid weerkaatst.
- Dia 9
- Transducer Ultrasound wordt geproduceerd in een transducer. Die
bevat n of meerdere piezoelektrische kristallen. Zulk een kristal
zet elektrische spanning om in mechanische trilling en omgekeerd.
De transducer registreert ook de terugkerende echos. Na het
uitzenden van een korte puls ultrasound luistert de transducer naar
de terugkerende echos. Dit wordt cyclisch herhaald.
- Dia 10
- Echografie De transducer wordt op het lichaamsoppervlak
geplaatst boven het te onderzoeken gebied. Op de huid wordt gel
aangebracht om ervoor te zorgen dat zich geen te grote verschillen
in akoestische impedantie voordoen tussen de transducer en het
lichaam (waarom?).
- Dia 11
- Tijd afstand Hoe kunnen nu beelden worden gemaakt aan de hand
van echos? Als de voortplantingssnelheid van de ultrageluidsgolven
vastligt, komt de tijd tussen het uitzenden van een ultrageluid en
het opvangen van de echo, overeen met een bepaalde afgelegde
afstand. Als dus de snelheid van het geluid vastligt, dan is de
diepte van de weerkaatsende interface evenredig met die tijd.
M.a.w. hoe later de echo, hoe dieper de weerkaatsende interface.
Zoals we reeds hebben gezien hangt de snelheid in werkelijkheid af
van de tussenstof. Om beelden te maken wordt verondersteld dat de
snelheid overal deze is in weke weefsels (1540 m/s). Andere
tussenstoffen zullen dus aanleiding geven tot onjuist
gelokaliseerde signalen. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 s 39 s 130 s
cm
- Dia 12
- A-mode In de meest eenvoudige (historische) A(mplitude)- modus
wordt de sterkte van de opgevangen echo op n scanlijn uitgezet in
functie van de tijd ( diepte). De pieken komen dus overeen met
interfaces. Voor B- of M-mode wordt de echosterkte weergegeven door
de helderheid van de spots. B-SCAN DISPLAY A-SCAN DISPLAY TO SCAN
DISPLAY PULSE ECHO ORGAN VERTEBRA STRENGTH OF SIGNAL TIME
- Dia 13
- A-mode De echosterkte wordt gecompenseerd voor attenuatie (dus
voor de diepte, of tijd). Zoniet zouden de diepere interfaces
zwakker overkomen (waarom?). (TGC staat voor time gain
correction)
- Dia 14
- Resolutie Op slide 9 werd reeds vermeld dat korte pulsen
ultrasound gebruikt worden. Het belang van een korte puls wordt
hier uitgelegd. Op de eerste interface (witte lijn) wordt de puls
gedeeltelijk weerkaatst (echo1); een ander deel van de energie gaat
door naar de tweede interface en wordt daar weerkaatst (echo2). Als
de twee interfaces minder dan een halve pulslengte van elkaar zijn
gescheiden (rechts), dan zit de kop van echo2 in de staart van
echo1 en worden de twee interfaces dus niet afzonderlijk gezien.
Hogere ultrasoundfrequenties geven een betere ruimtelijke
resolutie, want voor een zelfde aantal trillingen is de puls daar
korter. Daar tegenover staat evenwel een sterkere attenuatie (zie
slide 7). Pulslengte Afstand interfaces > pulslengteAfstand
interfaces < pulslengte Resulterend echosignaal
- Dia 15
- B-mode In de B(rightness) modus wordt de sterkte van de echo
aangegeven door de helderheid van het beeld (zie ook de figuur op
slide 12). Nu worden echter meerdere scanlijnen gecombineerd tot n
beeld. Deze scanlijnen worden achtereenvolgens bekomen door de
ultrasoundbundel in verschillende richtingen te sturen .
- Dia 16
- B-mode Een B-modus beeld van een galblaas met daarin galstenen.
Onder de galstenen zie je een relatief zwarte strook. Hoe zou die
ontstaan?
- Dia 17
- M-mode De M(otion) modus wordt voornamelijk gebruikt in
echocardiografie. We ontmoetten hem al in de inleiding. Nu worden
achtereenvolgende beelden van een zelfde scanlijn achter mekaar
geplaatst in het beeld, dat dus de echosterkte weergeeft in functie
van de diepte (y-as) en de tijd (x-as) . Je herkent een doorsnede
door een een hartkamer (de randen van de spierwand kan je zien als
twee ruwweg concentrische cirkels). Je ziet hoe in de loop van een
hartcyclus de wanden (W) van de hartkamer eerst naar mekaar toe
bewegen en zich dan weer van elkaar verwijderen. W W tijd
diepte
- Dia 18
- Doppler effect De waargenomen geluidsfrequentie verandert als
de geluidsbron beweegt ten opzichte van de waarnemer, of als de
waarnemer beweegt ten opzichte van de geluidsbron. Het filmpje
hiernaast toont dat voor een voorbijsnellende racewagen.
- Dia 19
- Doppler effect De waargenomen geluidsfrequentie verandert als
de geluidsbron beweegt ten opzichte van de waarnemer, of als de
waarnemer beweegt ten opzichte van de geluidsbron. Het filmpje
hiernaast toont dat voor een voorbijsnellende racewagen. Dit
fenomeen kan worden gebruikt voor het meten van bloedsnelheden.
Rode bloedlichaampjes die naar de transducer toe bewegen verhogen
de waargenomen frequentie; bloedlichaampjes die van de transducer
weg bewegen verlagen de waargenomen frequentie. De
dopplerverschuiving f, dit is de verandering van de frequentie,
wordt weergegeven in volgende formule: f = 2. f. v. cos transducer
bloedvat v f = 2. f. v. cos f = dopplerverschuiving f = frequentie
van de uitgezonden ultrasound v = snelheid van het bloed = hoek
tussen ultrasound en bloedvat v.Cos = component van snelheid in
richting van transducer
- Dia 20
- Continue doppler Bij continue doppler wordt continu ultrasound
uitgezonden door een transmitter en wordt de echo continu
geregistreerd door een receiver. De transducer bestaat hier dus uit
twee afzonderlijke elementen. Vergelijking van het uitgezonden met
het opgevangen signaal levert de dopplerverschuiving, en dus de
snelheid van het bloed. Nadeel van de techniek is dat de bekomen
dopplerverschuiving het hele gebied van gevoeligheid betreft (dit
is het gebied waar transmitter en receiver elkaar overlappen). De
diepte kan dus niet worden gekozen. Voordeel van de techniek is
evenwel dat ook hoge bloedsnelheden kunnen worden gemeten.
transmitter bloedvat receiver
- Dia 21
- Gepulseerde doppler Bij gepulseerde doppler worden meerdere
korte pulsen ultrasound uitgezonden door een transmitter en wordt
de echo geregistreerd door dezelfde transmitter. Vergelijking van
de uitgezonden met de opgevangen signalen levert weer de
dopplerverschuiving, en dus de snelheid van het bloed. Voordeel van
de techniek is dat de dopplerverschuiving kan worden gemeten op een
vooraf gekozen diepte. Die komt immers overeen met echos op een
bepaald tijdstip na het uitzenden van de puls. Nadeel van de
techniek is dat geen hoge bloedsnelheden kunnen worden gemeten.
Deze techniek kan worden gecombineerd met B-mode; dit wordt duplex
genoemd. Continue dopplerGepulseerde doppler dopplersignaal Hier
wordt het dopplersignaal bekomen als afzonderlijke punten Hier
wordt het dopplersignaal bekomen als een continu geheel
- Dia 22
- Continue versus gepulseerde doppler Bloedstroom door een
lekkende aortaklep in continue (links) en gepulseerde doppler
(rechts). De snelheden in de bloedstroom worden zoals gewoonlijk
weergegeven als een grafiek in functie van de tijd. Positieve
snelheden zijn weg van de transducer, negatieve ernaartoe. De hoge
snelheden in het lek leiden ertoe dat de snelheidsmetingen in
gepulseerde doppler niet betrouwbaar zijn.
- Dia 23
- d Kleurendoppler Kleurendoppler kijkt ook naar bewegende
structuren, net zoals gepulseerde doppler. Hier worden per scanlijn
meerdere kort op elkaar volgende puls-echo sequenties gebruikt.
Bewegende structuren in het beeld veroorzaken een faseverschuiving
daartussen. Het principe wordt hier gellustreerd voor 2 puls-echo
sequenties. Hieruit worden (via autocorrelatie) gemiddelde en
variantie van de snelheid berekend. Die worden op het beeld
weergegeven met kleuren. Deze metingen zijn minder nauwkeurig dan
met gepulseerde doppler. Het voordeel van kleurendoppler is evenwel
dat meteen informatie over meerdere dieptes wordt bekomen. Puls 1
bereikt de bewegende reflector. We nemen het punt waar dat gebeurt
als referentie. Puls 2 startte even na puls 1, zodat hij de
bewegende reflector pas bereikt als die al verder (hier: dieper)
is. Die heeft ondertussen een afstand d afgelegd. Tegen de tijd dat
de echo van puls 2 opnieuw het referentiepunt heeft bereikt, is de
echo van puls 1 al weer 2d (hier naar de oppervlakte) opgeschoven.
Vergelijking van de twee echos toont de faseverschuiving en daaruit
kan de dopplerverschuiving worden afgeleid.
- Dia 24
- Kleurendoppler Deze techniek wordt vaak gebruikt in de
cardiologie. In het voorbeeld zie je een lekkende klep. Flow naar
de ultrasoundtransducer toe is in het rood, van de transducer weg
is in het blauw. Het groen toont de variantie op de snelheden.
- Dia 25
- Power doppler Power doppler is een optie bij kleurendoppler.
Het dopplersignaal wordt hier anders verwerkt: ipv de fase van het
signaal wordt hier de amplitude gemeten. De kleuren geven enkel aan
of bloedstroming aanwezig is of niet, niet wat de snelheid is.
Voordeel van deze techniek is dat ook traag bewegend bloed, of
bloedvaten die evenwijdig met de transducer lopen, kunnen worden
gevisualiseerd. Ook deze techniek kan worden gecombineerd met
B-mode. v tijd v frequentie f0f0 f0f0 Bloedvat A wordt meer
longitudinaal getroffen, bloedvat B meer dwars. Het profiel van
snelheid in functie van tijd is daardoor sterk verschillend
afgevlakt in B. Toch is de oppervlakte onder de powergrafiek
dezelfde voor A en B. Zo kan power doppler toch ook in B de
bloedstroming in beeld brengen. (v = snelheid, P = power) A B A B P
P
- Dia 26
- Power doppler Power doppler van de nierdoorbloeding. De
helderheid van de kleur geeft de amplitude weer van het signaal. De
kleur geeft de richting aan: rood naar de transducer toe, blauw van
de transducer weg.
- Dia 27
- Veiligheid In de voor diagnostiek gebruikte intensiteit van
ultrasound zijn geen nevenwerkingen bekend. Ultrasound wordt dan
ook als een uiterst velige techniek beschouwd. Het is de techniek
bij uitstek voor foetale screening. Hogere intensiteiten en
langduriger blootstelling kunnen wel aanleiding geven tot
thermische effecten: opwarming van weefsels mechanische effecten:
onder meer holtevorming. De niersteenverbrijzelaar maakt gebruik
van ultrasound!
- Dia 28
- Voor wie meer wil
http://www.sprawls.org/ppmi2/USPRO/http://www.sprawls.org/ppmi2/USPRO/:
de basics
http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=430090http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=430090:
een zeer begrijpelijke uiteenzetting over het dopplereffect
http://folk.ntnu.no/stoylen/strainrate/Ultrasound/http://folk.ntnu.no/stoylen/strainrate/Ultrasound/:
een meer gevorderde en rijk gellustreerde uiteenzetting over
diverse aspecten van ultrasound
http://www.medcyclopaedia.com/library/topics/volume_i.aspxhttp://www.medcyclopaedia.com/library/topics/volume_i.aspx:
een encyclopedie over alle aspecten van beeldvorming; in deel 1
vind je talrijke trefwoorden in verband met ultrasound.