mellkasi kÉpalkotÁs i. - semmelweis egyetem...• egy adó és egy vevő, folyamatosan adja és...

ULTRAHANG

DIAGNOSZTIKASZEMINÁRIUMI ELŐADÁS

SEMMELWEIS EGYETEM

Dr. Tárnoki Dávid László PhD

Dr. Tárnoki Ádám Domonkos PhD

Dr. Dósa Edit PhD

Dr. Doros Attila PhD

Dr. Sükösd Hunor

Ultrahang alapjaiA hanghullámok nyomás hullámok, melyeknek közvetítő

közegre van szükségük a terjedéshez.

Ultrahang: hallásküszöb feletti hangok, frekvencia: > 20,000 ciklus /sec

Megnevezés Tartomány Példa

Infra hang 0 – 16 Hz Szeizmikus hullámok

Hallható hang 16 – 20 kHz Zene, beszéd

Ultrahang 20 kHz – kb. 10 GHz Denevér, delfin, diagnosztika

Az ultrahang keletkezésekülső periodikusan változó feszültség

(váltóáram)

piezoelektromos kristály (kvarc) és kerámialap (pl.

ólom-cirkonát-titanát: PZT)

periodikus rezgést végez

(20000 x / sec)

megfelelő közegben hanghullámként terjed tovább

Alacsony

frekvencia

3 Mhz

Magas

frekvencia

10 Mhz

Kristály vastagságától függ a vizsgáló fej frekvenciája

Ultrahang alapjai

Mechanikai hullám Terjedés

közegben, sűrűsödések és ritkulások formájában

Energiatartalmuk:

az amplitúdójuk fejezi ki

Áthatolóképesség

fordítottan arányos a frekvenciával

A vizsgálófej

impulzusokban rezgéscsomagokban bocsájtja ki az UH-t,

vevőként működik az idő több mint 99%-ban

Ultrahang keletkezése

Harkányi-Morvai. Ultraszonográfia, Minerva, 2006

Mechanikai hullámok tartományai frekvencia és intenzitás alapján

Ultrahang alapjai

Forrás: SE Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet

Az ultrahang keletkezése

• Piezoelektromos kristály – piezoelektromos hatás:

Az elektromos pulzusok által a kristályokból által keltett mechanikus

oszcillációk/rezgések, ezen oszcillációk a kristályokból hanghullámokként

emittálódnak.

Elektromos jelforrás (szinuszoszcillátor)+transzducer (piezokristály)

Pl. 3.75 MHz-es transducer által emittált hullámok 2 és 6 MHz között vannak,

3.75 MHz az átlag medián frekvencia

• Multifrekvenciás transducerek: a median frekvenciát lehet csökkenti /

növelni

Az adott transducer frekvenciáját meghatározza: piezokerámia lapocskák

vastagsága (amik adók + vevők is)

Forrás: google.com7

Az ultrahangfej anatómiája

Leggyakrabban használt ultrahangfejek

Phased array Lineáris Konvex

Konvex

Lineárishoz hasonló, csak konvex elrendezésben

FOV szélesebb


Lineáris

Sok kis kristály

Egy vonalban (paralel)

Ezen kristályok egyszerre gerjednek



• Széttartás: Az ultrahang nyaláb a mélységgel arányosan szét tart

• Szóródás: Ha a hullám hossz kisebb, mint a szöveti alkotó rész,

amibe beleütközik, a nyaláb szóródik -> pl. a vér alkotórészei


transzducer: adó és vevő egyben

időbeli szétválasztás – folyamatos hullám helyett impulzusok

Forrás: http://www.kerrywong.com/2011/01/22/a-sensitive-diy-ultrasonic-range-sensor/

impulzus ismétlődési idő: 1 ms

impulzus ismétlődési frekvencia: 1000/s = 1 kHz

UH terjedési

sebessége

(lágy szövetekben):

1540 m/s

impulzusidőtartam: 1us

UH frekvenciája: 1-10 MHz

UH: adó+vevő egyben

Transducer

MHz Általában 1-13 MHz

Egy fejben a frekvencia változik

1-4 MHz

5-8 MHz

Minél nagyobb = jobb felbontás

◼ Csökken a penetratio

Frekvencia: magas / alacsony nyomású ciklusok száma 1 mp alatti

periódusban


Forrás: https://www.howequipmentworks.com/ultrasound_basics/

/

Hullám profilja

Közeli mező (Fresnel Zone)

Távoli mező (Frauhofer Zone)

Tranzíciós pont – ahol közeli mező véget ér és a hullámdivergencia kezdődik

Konvex transducerek fő és mellék”lebenyeket” képeznek – ami okozza artefactumokat


Akusztikus impedancia Definíció: mennyire áll ellen a részecske annak, hogy részecskéit

rezgésbe hozzuk.

UH-képalkotás alapja: reflexió Hangtani szempontból eltérő tulajdonságú közegek határfelületéről

Z (akusztikus impedancia) = ρ x c

◼Ρ: Adott közeg sűrűsége c: Hang terjedési sebessége az adott közegbenKözeg Terjedési sebesség (c) Sűrűség (ρ) Akusztikus impedancia (Z)

izom 1568-1590 m/s 1,04 g/cm3 1.63 x 105 g/cm2sec

zsír 1450-1470 m/s 0,970 g/cm3 1.42 x 105 g/cm2sec

csont 2500-4700 m/s 1.07 g/cm3 4- 7.5 x 105g/cm2sec

levegő 331-343 m/s 0.001 g/cm3 0.004 x 105 g/cm2sec


Az ultrahang terjedése

Levegő 331 m/s

Máj 1549 m/s

Lép 1566 m/s

Izom 1568 m/s

Egyéb szövet 1545-1630 m/s

Csont 3360 m/s

Szabványosított: 1540 m/s

Az UH frekvenciája és a

terjedési sebesség ismeretében

a hullámhossz (λ)

kiszámítható:

Sebesség = Hullámhossz x

Frekvencia

C = λ x fSzabvány sebesség (C): 1540

m/s

Hangterjedés emberi

szövetekben

Alap tulajdonságok: Divergál

Abszorpció: Intenzitásgyengülés terjedés közben, hővé

alakul

Egyéb jelenségek: Reflexió: visszaverődés, különböző akusztikus

tulajdonságú szövetek között lép fel

Refrakció: ultrahanghullám két, 90 foktól eltérő szögű

közegre ér, az átvitt hullám refraktál.

Scattering: ultrahanghullám szabálytalan felületetre érve

sok irányba szóródik.


Forrás: http://famus.org.uk/modules/ultrasound-theory-module


Forrás: http://famus.org.uk/modules/ultrasound-theory-module

Visszaverődés függ: impedancia hullámoktól (impedance jumps)

Reflexiós hányados (R) Visszaverődés mértéke - jel - képalkotás

Közeg határ Reflexiós hányados

(R)

Levegő - lágyrész 0.9980

Zsír - lágyrész 0.0699

Zsír - máj 0.4900

víz - izom 0.0200

Lágyrész - csont 0.6220

Levegő- lágyrész: csaknem teljes visszaverődés

Z: Akusztikus impedancia


Kölcsönhatás - Gyengülés

Szövethatár

Reflexió: JEL

Szövetekben haladás

Hangtörés (refrakció)

Hangelhajlás (diffrakció)

Szóródás

Hővé alakul

UH az anyagon keresztülhalad, veszít

energiájából -> gyengítés (attenuáció)

Szövet Attenuációs

koefficiens

zsír 0.6 dB/cm

izom 1.2-3.3 dB/cm

tüdő 40.0 dB/cm

máj 0.9 dB/cm

vese 1.0 dB/cm

csont 20.0 dB/cm

tiszta folyadék 0.022 dB/cm

▪ Abszorpció és a gyengítési ráta

jellemzője az attenuációs koefficiens:


Fókuszálás

Közeltér: Fresnel zóna,

Távoltér: Fraunhofer zóna

Fókuszáláskor a nyaláb

divergenciája nő a távoltérben és

romlik a mélységélesség.


Az ultrahang terminológia

•Echodús (pl. haemangioma)Környező parenchymához képest világosabb

•Echoszegény (pl. tumor)

Környező parenchymához képest sötétebb

•Echomentes (vér, vizelet, epe, CSF, pericardialis

vagy pleuralis folyadék, ascites, cysták)Környező parenchymához képest sötétebb, mögöttes hangerősítés

•Echodens (pl. epekő)Környező parenchymához képest világosabb, mögöttes hangárnyék

Terminológia

Milyen echogenitású struktúrát látunk?

Echodús

Echomentes

Echoszegény

Echodens

Kérdés

Húgyhólyag

Ultrahang megjelenítése módszerei

A-mód

B-mód

M-mód


• A-módLegegyszerűbb alkalmazás, a megjelenített képen a vízszintes tengely a vizsgált terület mélységét, míg a függőleges tengely az echók amplitúdóját jelenti -> egy vonalban terjedő UH nyaláb (pl. távolságmérés)


• M-módA B képen meghatározott egyetlen UH nyaláb mentén a visszaverődő echók pozíciójának időbeli változása, pl. echocardiographiaTM: time motion


• B-módPiezoelektromos kristályok (pl. 256 db) gerjesztette UH nyalábok határfelületekről visszaverődnek -> adatgyűjtés, feldolgozás -> „fényes”, vagy „kevésbé fényes” pontok (kép). Frame rate: a keletkező képek másodpercen belüli sűrűsége (25-40 frame/sec) adja a real-time érzetet a B-módú UH vizsgálat során

Milyen módú képet látunk?

A-mód

B-mód

M-mód

Kérdés

Christian Doppler

Osztrák fizikus

1842

Doppler technika

Doppler–effektus

közeledő hangforrás hangját

magasabbnak (rövidebb hullámhossz)

a távolodóét

mélyebbnek (hosszabb hullámhossz) halljuk

Doppler technika

Doppler technika

Az áramló részecskékről történő hangvisszaverődés (közeledő,

távolodó) különböző sebessége adja a Doppler UH technika alapját

Doppler módok:

• Color Doppler

• Folyamatos (CW) Doppler

• Pulzus (Spektrum, PW) Doppler

• Power Doppler (Doppler Energy)

Doppler módok

Doppler technika

1. Color Doppler:Frekvencia és/vagy amplitudó információ

begyűjtése adott területről B-módú képen,

színkódolás segítségével

Áramlás iránya: transducer felé történő

áramlás az alapvonal felett,

a transducertől távolódó az alapvonal alatt

jelenik meg.

Doppler módok

Doppler technika

Color Doppler: mintavétel területén (color box)

• a transducer felé történő áramlást pirossal

• a transducertől távolodó áramlást pedig kékkel kódolja

Doppler módok

Doppler technika

2. Egyszerű, folyamatos hullámú CW (continous wave) Doppler:• egy adó és egy vevő, folyamatosan adja és veszi a jeleket

• igen magas áramlást is lehet mérni - sebességmérésnek nincs határa

• Hátrány: a hangnyaláb érzékelési zónájába eső valamennyi érzékelő

felszínről jelzi a frekvencia eltolódást - nem tudjuk hol mérte

Doppler módok

Doppler technika

3. Pulzus Doppler PW (Spektrum, Pulsed Wave Doppler): • az adott UH nyaláb mentén mi jelölhetjük ki egy változtatható szélességű,

kis mintavételi kapu (gate) segítségével, hogy honnan kívánunk sebesség

információt nyerni, bizonyos mélységben - kvantitatív módon mérhető az

áramlás az idő függvényében

• Hátrány: limitált a mérési tartomány – magas áramlás esetén: aliasing

Doppler módok

Doppler technika

4. Power Doppler: az áramlás tényét mutatja az adott power Doppler

box alkalmazásának régiójában• 7-8-szor érzékenyebb a Color Doppler-hez képest

• Hátrány: nem tudunk áramlási irányt és sebességet meghatározni

• Alkalmazás: kicsi áramlású, változó sebességkomponensű területek

egységes kimutatására alkalmas

Doppler–effektus

Doppler technika

• fd= frekvencia változása (Doppler eltolódás)

• fo = dopplerező frekvencia (Vizsgálófej által kibocsájtott)

• v = sebesség

• alpha = nyaláb beesésének szöge

• c = hang sebessége a szövetekben (1540 m/s)

Stenosis megállapítása

Doppler technika

Direkt és indirekt jelek• Stenosistól proximalisan

• Stenosisnál

• Stenosistól distalisan

3D, 4D, 5D UH• 2D UH: egy általunk kiválasztott síkban történik a képalkotás

• 3D UH: egy kijelölt térfogatból kapott nagymennyiségű echó

feldolgozásával készül el a vizsgált térfogategység háromdimenziós

megjelenítése

• speciális vizsgálófejek

• az akvizíciós idővel majdnem azonos időben, mozgó struktúraként

tudjuk ábrázolni

• 4D UH: a rekonstruált 3D kép mozgásban történő megjelenítése

• 5D UH: 3D szemüveg és kijelző segítségével animált kép

Forrás: http://www.mothernurtureultrasound.com/whats-the-difference-between-a-3d-and-4d-ultrasound/

Műtermékek

• Ultrahang jelhiány egy adott sávban:Nem megfelelő kontaktus az érintett bőrfelszín ésaz UH transducer között!

• Mozgási műtermék:Nem megfelelően kooperáló betegnél elmosódott kép jelentkezhet a túlzottan „mozgó” területek vizsgálatakor

• Aliasing:Spectrum Doppler esetében az adott Doppler skálába már nem beférő, magasabb sebességérték az alapvonal alatt jelenik meg

Fúziós képalkotás

CT / MR képanyag valós fuzionálása

1. CT/MR képanyag betöltése az UH gépbe2. Elektromágneses tér generátor a betegágy

mellett3. Mágneses szenzor érzékeli a laesiot

42

Kontrasztanyagos UH

• 1990-es évek: gázbuborékokat UH kontrasztanyagok bevezetése klinikumba

• 2-3 ml-nyi UH kontrasztanyag segítségével kapilláris szintű áramlás detektálására van lehetőség

• Alacsony mechanikai indexnél a szövetektől jól elkülönülő, erős jelet ad a kontrasztanyag (akusztikus impedancia változik meg -> 100% reflexió).

• Mikrobuborékok albuminból, galaktózból, lipidből és polimerekből állnak

• Méretük 1-4 um (vörösvérsejt méretűek), endotheliumon nem tudnak átmenni

Kontrasztanyagos UH

• Alkalmazás• Halmozás: máj, vese

laesiok• Gyermekgyógyászat:

vesico-ureteralis reflux • Nőgyógyászat: a tuba

uterina átjárhatósága• Érsebészet: aorta stent

graftok kontroll vizsgálatánál endoleak kimutatására.

Szonoelasztográfia• Szövetek rugalmasságának megjelenítése • Transducerrel finoman összenyomjuk a kiválasztott

régiót -> az itt elhelyezkedő lágyabb szövetek jobban, a keményebbek kevésbé nyomódnak össze -> B-képen színkódolt ábrázolás

• Gyulladás vagy daganat következtében a szöveti struktúrák keményebbé, rugalmatlanabbakká válhatnak -> rugalmassági együttható (N/mm2)

• Az összenyomás következtében a rugalmasságtól függően a szövetek mind axiálisan, mind pedig oldalra, laterális irányban kiterjednek – ezen méretváltozások quantitatíve kiértékelhetők.

Szonoelasztográfia• Stressz: erő mennyisége egy egységnyi területen

• Mértékegysége: pascal

• Stress előidézhető:• Compressioval: a felületre perpendicularisan hat – a

laesio megrövidül• Shear stress (nyíróerők) a felszínnel paralel alakul ki és a

laesiot deformálja

• Kialakul:• Compressios hullámok• Shear hullámok

Forrás: https://www.slideshare.net/sahilchaudhry89/ultrasound-elastography-56432669

Szonoelasztográfia• Elaszticitás

• Szöveti stiffness• Mennyisége: Young modulus (=elaszticitás, E)

• Alkalmazott stress és az indukált nyíróerő aránya

• Nyomásérték: Pascal (kPa)• Kemény szövetek Young modulusa magasabb

• Keményebb struktúrák: kék• Lágyabbak: piros• Magas rugalmassági együttható: tumor!• Alkalmazása: máj-, emlő-, a pajzsmirigy-, a prostata- ,

a here- és a pancreasdaganatok. Forrás: https://www.slideshare.net/sahilchaudhry89/ultrasound-elastography-56432669

Szonoelasztográfia

Elasztográfia két formája• Statikus (compressioval)

• Strain elasztográfia• Strain map készül a deformáció kiszámolása utánElőnye: nem kell komplex softwareHátrány: operátor függő, nincs specifikus quantificatio, csak felületes szövetekben

• Dinamikus (újabb)• 1. Acusticus ratiatios erő képalkotói technika (ARFI)• 2. Transiens elasztográfia• 3. Shear wave elasztográfia

Milyen vizsgálatot látunk?

Elasztográfia

Kontrasztanyagos

UH

B-mód

Kérdés

Összefoglalás

Fizikai tulajdonságok

➢ Hallásküszöb feletti hangok, frekvencia: > 20,000 ciklus /sec

➢ Piezoelektromos hatás

➢ Multifrekvenciás transducerek

➢ UH-képalkotás alapja: reflexió

➢ Hangtani szempontból eltérő tulajdonságú közegek határfelületéről

➢ Szabványosított terjedési sebesség: 1540 m/s

Összefoglalás

Fizikai tulajdonságok

Alap tulajdonságok:

➢ Divergál

➢ Abszorbeál

Egyéb jelenségek:

➢ Reflexió

➢ Refrakció

➢ Scattering

Terminológia

• Echodús (pl. haemangioma)

• Echoszegény (pl. tumor)

• Echomentes (vér, vizelet, epe, CSF,

pericardialis vagy pleuralis folyadék, ascites,

cysták)

• Echodens (pl. epekő)

Összefoglalás

Megjelenítése módszerei

• A-mód

• B-mód

• M-Mód

Terminológia

• Color Doppler

• Folyamatos (CW) Doppler

• Pulzus (Spektrum, PW) Doppler

• Power Doppler (Doppler Energy)

Összefoglalás

Új technikák

Kontrasztanyagos UH

• kapilláris szintű áramlás

detektálására van

lehetőség

Szonoelasztográfia

• Szövetek rugalmasságának megjelenítése

• Elasztográfia két formája

• Statikus (compressioval): strain

elasztográfia

• Dinamikus (újabb): Shear wave

elasztográfia)

Köszönjük a figyelmet!

mellkasi kÉpalkotÁs i. - semmelweis egyetem...• egy adó és egy vevő, folyamatosan adja és...

Documents