versione preliminare - fisica.unisa.it didattico... · parte 3 -ultrasuoni versione preliminare...
TRANSCRIPT
1
1
Tecnologie e tecniche di imaging radiodiagnostica
Principi alla base della formazione Principi alla base della formazione
dell’immagine diagnostica in medicina dell’immagine diagnostica in medicina
nuclearenucleare
Parte 3 - UltrasuoniVersione preliminare
Antonio Di BartolomeoAA 2004-05 - settembre 2005
2
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 2
IntroduzioneIntroduzione
Generazione e rivelazione di ultrasuoni
La fisica delle onde acustiche
Imaging a scala di grigio
Imaging Doppler
Apparecchiature
Uso clinico
3
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 3
Overview� Principio di base
� Un’onda viene riflessa parzialmenteall’interfaccia tra due diversi tessuti
� Se queste riflessioni sono misurate in funzionedel tempo, e la velocità dell’onda nel mezzo è conosciuta, è possibile ottenere la posizionedel tessuto
� Vantaggi
� non-invasiva, non costosa, portabile� eccellente risoluzione temporale
� Svantaggi
� rumorosa� bassa risoluzione spaziale
� Esempi di applicazioni cliniche
� Ultrasuoni eco (echo ultrasound)• controlli cardiaci• controlli del feto
� Ultrasuoni Doppler (Doppler ultrasound)• flusso sanguigno
� TC ad ultrasuoni (ultrasound CT)• mammografia
Biopsia guidata ad ultrasuoni(US)
Effetto Doppler
4
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 4
Storia� Publicazione della La teoria del suono (Lord Rayleigh, 1877)
� Scoperta dell’ effetto piezo-elettrico (Pierre Curie, 1880)
• Permette la generazione e la rivelazione di onde ultrasoniche
� Primi usi pratici
• nella prima guerra mondiale per la rivelazione di sottomarini
• test non distruttivo di metalli (ali degli aeroplani, ponti etc.)
• sismologia
� Primo uso clinico per localizzare tumori nel cervello (Karl Dussik,
Friederich Dussik, 1942)
� Le prime immagini a livelli di grigio furono pubblicate nel 1950
� Strumenti real time messi in commercio da Siemens 1965
� “Beam-steering” elettronico ulilizzante la tecnologia “phased-array” nel 1968
� Tecnica molto usata fin dalla metà degli anni ‘70
� Sostanziale aumento a partire dalla metà degli anni ‘90
5
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 5
Introduzione
Generazione e rivelazione di ultrasuoniGenerazione e rivelazione di ultrasuoni
La fisica delle onde acustiche
Imaging a scala di grigio
Imaging Doppler
Apparecchiature
Uso clinico
6
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 6
Onde ultrasoniche� Le onde ultrasoniche (US) sono onde longitudinali di compressione
− Onde longitudinali: lo spostamento delle particelle nel mezzo è parallelo alla direzione del moto dell’onda; − Onde trasversali: lo spostamento delle particelle nel mezzo è perpendicolare alla direzione del moto dell’onda
� Regione di alta e bassa densità di particelle sono generate dallo spostamento locale
delle particelle (le particelle non si muovono mai lontano)
� Il trasduttore emette un impulso sonoro che comprime il materiale; l’elasticità limita
la “compressione” e la estende in una “rarefazione”; la rarefazione ritorna poi ad
essere compressione
� L’alternanza compressione/rarefazione continua finché l’oscillazione non si smorza
gradualmente ed il mezzo ritorna all’equilibrio.
� Onde ultrasoniche in medicina > 2.5 MHz
Compressione =
alta pressione
Rarefazione =
bassa pressione
7
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 7
Esempio propagazione onda
8
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 8
Generazione e rivelazione di onde ultrasoniche
� Le onde US sono generate per mezzo di un cristallo piezoelettrico
− Si deforma per applicazione di un campo elettrico � genera un’onda di pressione
− Induce un campo elettrico se deformato rivela un’onda di pressione
� L’elemento per produrre o rivelare un’onda sonora si chiama trasduttore
(elemento che trasforma una forma di energia in un’altra)
Il suono
� A secondo della frequenza è in generale diviso in 3 range
- Subsonico: <20 Hz
- Sonico: udibile dall’uomo 20 – 20 khZ
- Ultrasonico:>20 kHz
� In medicina frequenze ~25 MHz
9
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 9
Effetto piezoelettrico (1)� Conversione di energia elettrica in energia meccanica e viceversa in
materiali con momenti di dipoli elettrici intrinseci (anisotropia
strutturale)
− Un campo elettrico (o potenziale ~100 V) causa un riorientamento deidipoli ⇒ deformazione
− Deformazione cause spostamento dei dipoli ⇒ induce tensioni
� Esempi di materiali pezoelettrici:
− Cristallini (quarzo), ceramiche policristalline (PZT, titanato di piombozirconio), Polimeri (PVDF)
Piezoelettrico
cristallino:
Quarzo(SiO2)
10
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 10
Effetto piezoelettrico (2)
Policristallino (es, ferroelectrico, PZT)
Polimeri (PVDF)
“α phase” (non p.e. attivo)
“β phase” (p.e. attivo)
11
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 11
Risonanze del trasduttore
• Il trasduttore (disco) ha risonanze meccaniche alle frequenze
• La frequenza di risonanza più bassa (fondamentale) (standing wave):
Crystal
Leng
th o
f
crys
tal,
L c
or 1,2,3,...2 2res c
c
ncf L n n
L
λ= = =(c: velocità del suono
λ: lunghezza d’onda)
tempo
Gli estremi del trasduttorehanno una differenza di fase di 180° (= π = λ/2)
12
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 12
• Introduzione
• Generazione e rivelazione di ultrasuoni
•• La fisica delle onde acusticheLa fisica delle onde acustiche
• Imaging a scala di grigio
• Imaging Doppler
• Apparecchiature
• Uso clinico
13
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 13
Propagazione dell’onda: mezzi omogenei
• Un mezzo è acusticamente omogeneo
se la sua compressibilità ed la sua densità
non cambiano né nello spazio né nel tempo
• E’ caratterizzato da impedenza acustica
specifica Z
ρρρρ= densità del mezzo, v=velocità delle particelle del mezzo, p=pressione, c=velocità
di propagazione del suono nel mezzo
• Superficie di fase costante chiamata fronte d’onda
• I “raggi sonori” si propagano perpendicolarmente ai fronti d’onda e
definiscono la direzione di propagazione dell’energia
cv
Z ρ=ρ≡
14
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 14
Propagazione dell’onda nei MO: equazione d’onda
�Per derivare una equazione matematica per la propagazione di
un’onda sono usate tre proprietà fisiche fondamentali:
• Conservazione della massa (equazione di continuità)ρρρρ è la densità di massa del mezzo e v è la velocità delle particelle del mezzo
• Conservazione della quantità di moto (2a legge di Newton)p è la pressione
• Equazione di stato che lega pressione e densità• Pressione acustica, densità acustica e velocità di particella acustica
• Compressibilità adiabatica
�Equazione d’onda lineare
( ) 0vdt
d =ρ⋅∇+ρ rr
( )0p
dt
vd =∇−ρ rr
0vconvvv
con
ppconppp
00
00
00
=∆+=ρ<<ρ∆ρ∆+ρ=ρ
<<∆∆+=
rrrr
0
p
1
p
1
p
V
V
1ss
ρ=ρ
∂ρ∂
ρ=β→
∂ρ∂
ρ=
∂∂−=β
0ptc
1p
2
2
2
0
2 =∆∂∂−∆∇
r
laplacianoe1
ccon 2
0s0
0 =∇βρ
=r
15
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 15
Propagazione dell’onda nei MO: soluzione dell’ eq.�Soluzione generale dell’equazione d’onda in una dimensione
con f1(x) ed f2(x) funzioni arbitrarie
�Sovrapposizione di due onde progressive una verso destra l’altra verso sinistra, con
velocità v0
� Velocità del suono •nell’aria ≈ 340 m/s•nei tessuti molli ≈ ≈ velocità nell’acqua ≈ 1540 m/s
�La forma dell’onda che si propaga è definita dalle caratteristiche del trasduttore
�Equazione d’onda lineare � la forma dell’onda non cambia durante la propagazione
0ptc
1p
2
2
2
0
2 =∆∂∂−∆∇
r
)tcx(fA)tcx(fA)t,x(p 022011 −⋅+−⋅=
16
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 16
Propagazione dell’onda nei MO: attenuazione
�Attenuazione: perdita di energia acustica dell’onda durante la sua
propagazione• Nei tessuti l’energia acustica viene trasformata principalmente in calore a causa della
viscosità• Ne deriva un decadimento esponenziale dell’ampiezza dell’onda che si propaga• Smpiezza dell’onda modellata dalla funzione
con f: frequenza, z: distanza di propagazione nelmezzo, a: coefficiente di attenuazione del mezzo
� Il coefficiente di attenuazione lineare a=a0 fn
• dipende dalla frequenza• in genere per i tessuti è n=1• si misura in Np/cm (nepero Np è una unità adimensionale 1 Np=lne(Az/A0) )
• si misura anche in dB/cm (decibel 1dB = 20 log10(Az/A0))
• Conversione: 1dB = 20 log10(e) 1Np = 8.6859 Np
• La costante a0 può essere espressa in dB/(cm�MHz). • Esempio: fegato a0=0.5 dB/cm�MHz
( ) )zfaexp()azexp(A
Az,fH n
0
0
Z −=−==
17
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 17
Propagazione dell’onda nei MO : non linearità� L’equazione d’onda è lineare se la pressione acustica è un disturbo infinitesimale
della pressione statica; in tal caso l’onda si propaga nel mezzo senza subire
cambiamenti di forma
� Se la pressione acustica aumenta, l’equazione d’onda diventa non lineare e la
propagazione dell’onda è associata ad una distorsione della forma d’onda
� La distorsione è visibile nel dominio delle frequenze per mezzo della generazione di
armoniche superiori (multipli interi della frequenza originale)
�La distorsione della forma d’onda aumenta con l’aumentare dell’ampiezza(pressione) e della distanzadi propagazione
�La non linearità di un mezzo è descritta da due parametri A e B:
ρ∂∂ρ=
ρ∂∂ρ=
2
22
0
pB
pA
0
18
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 18
Propagazione dell’onda nei MO : diffrazione� Diffrazione:
• interferenza tra onde che si verificaquando l’onda incontra nel suo percorsoun ostacolo o una apertura
• pattern di interferenza complicatorisultante da un numero elevato di sorgente coerenti (con la stessafrequenza ed uno shift di fase costante)
• la forma di questo pattern 3D è strettamentelegato alla geometria della sorgente acustica
� Interferenza costruttiva: campo lontano• Quando il punto di osservazione è collocato lontano dalla sorgente tutti i
“wavelet” dalle sorgenti puntiformi interferiscono costruttivamente e • la pressione è elevata
� Interferenza distruttiva: campo lontano• Quando il punto di osservazione è vicino alla sorgente i walelet
interagiscono in maniera complessa a cusa delle differenze di fasesignificative
• Rapide oscillazioni della pressione massima
19
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 19
Effetti nei mezzi disomogenei (1)� Riflessione e rifrazione
− All’interfaccia tra due mezzi diversi (esempiosangue- muscolo), l’energia dell’onda è in partetrasmessa ed in parte riflessa (Riflessionespeculare)
− Se l’interfaccia è piana la frequenza dell’ondanon cambia; cambiano invece la sua velocità ed il suo angolo.
− Rifrazione: L’onda trasmessa non si propaga in generale nella stessa direzione dell’ondaincidente
- Riflessione completa: • per c2 > c1 e θi > sin
-1(c1/c2), cos θt è un numerocomplesso
• Non c’è onda rifratta• Onda riflessa non è fase con l’onda incidente
− Anche l’ampiezza cambia: T+R=1, Z=ρ v
1 1 2
sin sin sini r t
c c c
θ θ θ= =
22
1
cos 1 ( sin )t i
c
cθ θ= −
1 2 1
2 1 2 1
2 cos cos cos R
cos cos cos cost t r i t
i i t i i t
A Z A Z ZT
A Z Z A Z Z
θ θ θθ θ θ θ
−= = = =+ +
A = ampiezza dell’onda
Z = impedenza acustica del mezzo
T=coefficiente di trasmissione
R=coefficiente di riflessione
T ed R non simmetrici rispetto allo scambio dei mezzi
20
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 20
Effetti nei mezzi disomogenei (2)� I singoli tessuti sono in realtà disomogenei, a causa di deviazioni locali di densità e
compressibilità, e ciò dà origine a diffusione (scatter reflection)
� Scattering o diffusione
− Diffusore puntiforme (point scatterer): ritrasmette l’onda incidente ugualmente in tutte le direzioni, come se fosse una sorgente (principio di Huygens).
− Se la grandezza dell’oggetto diffusore è << λ, esso può essere considerato un point scatterer
• si ha interferenza costruttiva ad un ricevitore sufficientemente lontano P
− In caso contrario, è necessario modellizzare l’oggetto diffusore come tanti diffusoripuntiformi che producono un complicato pattern di interferenza
• Il modello d’interferenza dipende dalla forma dell’oggetto diffusore e dal punto di osservazione
Oggetto piccolo << λ Oggetto grande
21
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 21
Riflessione, rifrazione e diffusione
a) Segnale riflesso in funzione del tempo per un oggetto omogeneo in acqua
b) Segnale riflesso in funzione del tempo per un oggetto non-omogeneo in acqua
Acquisizione modo A.Immediatamente dopo la trasmissione dell’impulso (rosso) il trasduttore è usato come ricevitore.
Le onde riflesse (blu) sono registrate n funzione del tempo.
Sono mostrate solo le onde diffuse e non quelle speculari
22
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 22
Effetto Doppler: introduzione (1)
�Effetto doppler:
• Quando una sorgente acustica si muove rispetto ad un osservatore, la frequenza dell’onda trasmessa e di quella osservata è diversa
•Esempio l’intervallo di tempo tra i fischi di un treno è minore quando il treno si avvicina e maggiore quando il treno si allontana (l’inverso per la frequenza)
Pitch=tonalità
23
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 23
Effetto Doppler: introduzione (2)� Assumiamo che una sorgente
acustica emetta un impulso di
N oscillazioni nel tempo ∆tT� un point scatterer Ps viaggia
con velocità assiala va =v cos θ
� Le posizioni dell’onda e del punto diffusore Ps sono:
• L’inizio dell’onda (leading edge) incontra Ps al tempo:
• La fine dell’onda (trailing edge) incontra Ps al tempo:
• L’inizio dell’onda incontra il trasduttore a
• La fine dell’onda incontra il trasduttore a
0( ) ( )b s aP t ct P t d v t= = +
0( ) ( ) b ib s ib iba
dP t P t t
c v= → =
−
0( ) ( ) Tb ie s ie ie ib T
a a
d c t cP t P t t t t
c v c v
+ ∆= → = = + ∆− −
2rb ibt t=2re ie Tt t t= − ∆
24
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 24
Effetto Doppler: introduzione (3)• Impulso ricevuto (N oscillationi)
− La durata dell’impulso ricevuto è
− Ovvero in frequenza
− Lo shift Doppler in frequenza (o semplicemente frequenza Doppler) è
• Esempio:
− Assumendo che un diffusore si allontani a 0.5 m/s e che la frequenzadell’impulso sia 2.5 MHz, allora si ha uno shift in frequenza di -1.6 kHz
2( 1)R re rb T
a
ct t t t
c v∆ = − = − ∆
−
T RT R
N Nf f
t t= =
∆ ∆
2 cos2 aaD R T T T
a
vvf f f f f
c v c
θ−−= − = ≈+
Se θ=90°nessuno shift in frequenza!
25
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 25
Doppler Effect: formulazione mat. generale
�Cambio della frequenza causato dal moto della sorgente (che può essere un diffusore) e/o del rivelatore relativamente al mezzo (c velocita suono, v velocità sorgente, v’ velocità rivelatore)
�L’effetto del moto del ricevitore è diverso da quello del moto della sorgente. Combinando i due effetti si ha
−se v = v’,
Velocità sorgente
Velocità osservatore
θθ
′+ = − = − −
cos1 , Doppler
cosd R
c vf f f f shift
c v
θθ
= −
2 cos
cosd
vf f
c v
θ=
−
More generally,
cosR
cf f
c v
=Rf f
=−R
cf f
c v
=+R
cf f
c v
θ
R
26
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 26
Introduzione
Generazione e rivelazione di ultrasuoni
La fisica delle onde acustiche
ImagingImaging a scala di grigioa scala di grigio
Imaging Doppler
Apparecchiature
Uso clinico
27
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 27
Acquisizione dati: Modo A� ‘A’ per Amiezza
� Modo più semplice, ma quasi non più in uso.
− Principio dell’ impulso-eco: sbatto le mani e aspetto l’eco
� Immediatamente dopo la trasmissione
dell’impulso, il trasduttore è usato come
ricevitore− Le onde riflesse (sia speculari che diffuse) sono
registrate in funzione del tempo− Tempo e profondità sono quasi equivalenti perché la
velocità del suono è costante nei tessuti
distanza = (tempo trascorso �velocità suono)/2
� Segnale rivelato spesso chiamato radiofrequenza
(RF) perché le frequenze sono nel range dei MHz,
range che nello spettro elettromagnetico
corrisponde alle radiofrequenze
� Problema: non si sa da dove il suono rimbalza
− Direzione non chiara− Forma degli oggetti non definita− ???Giusto per ottenere una singola linea
Impulso trasmesso� echo ricevuto
28
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 28
Acquisizioni dati: Modo M� ‘M’ per Moto
�Misure del modo A ripetute
� Frequenza di campionamento molto alta: fino a 1000 impulsi per secondo
� Immagine 2D di profondità in funzione del tempo
− Immagini tutte uguali a meno che l’oggetto non sia in movimento
− I picchi dell’onda riflessa danno origine a pixel luminosi sull’immagine
29
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 29
Acquisizioni dati: Modo M
�Motto M
− Utile per stabilire rates e movimento
− Ancora di grande uso nell’immagine cardiaca e del feto
Moto delle paretidel cuore durante la contrazione
Pericardio(membrana intorno
a cuore)
sangue
muscolo del cuore
30
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 30
Acquisizione dati: modo B� ‘B’ per Brightness (luminosità)
� L’immagine è ottenuta
traslando o ruotando il trasduttore
tra due acquisizioni in modo A
� Immagine 2D: linea vs tempo
� Se la misura è ripetuta nel tempo, una sequenza di immagini è ottenuta
feto
cuore
continuo
�Alto coefficiente di assorbimento delle ossa - > finestra acustica
�Tilt anziché traslazione: immagine polare (es cuore)
31
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 31
Ricostruzione dell’immagine (1)
� La ricostruzione dell’immagine ultrasonica basata sui dati RF acquisiti
comprende i seguenti passi:
1. filtraggio
2. rivelazione dell’inviluppo (envelope detection)
3. correzione dell’attenuazione
4. compressione logaritmica
5. conversione di scan
32
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 32
Ricostruzione dell’immagine: filtraggio� Le immagini sono filtrate per rimuovere il rumore ad alta frequenza. L’origine di
queste ferquenze, che non sono state trasmesse, è la propagazione non lineare
� …ma, imaging di seconda armonica
• Solo parte della larghezza di banda del trasduttore usata nella trasmissione, quella a bassafrequenza
• Le onde rifelsse ad alta frequenza vengono rivelate dal trasduttore usando la banda non impiegata nella trasmissione
• Imaging di seconda armonica, producono immagini migliori in pazienti più corpulent
• Nell’imaging di seconda armonica anche la parte a bassa frequenza è rimossa
Immagine in B-mode delle due cavità ventricolari ed atriali
Armonica fondamentale Seconda armonica
33
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 33
Ricostruzione dell’immagine: inviluppo� Le fluttuazioni molto rapide del segnale RF non utili per produrre un’immagine a
scala di grigio
� L’informazione ad alta frequenza rimossa considerando solo l’inviluppo (filtro in
quadratura o trsformazione di Hilbert)
� Ciascuna ampiezza lungo l’inviluppo è rappresentata come un valore di grigio
� Diverse linee sono scandite spostando o ruotando il trasduttore
� Immagine 2D linee vs tempoI pixel luminosi corrispondono a forti riflessioni; le linee bianche nella figura corrispondono ai due contorni della figura esaminata
34
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 34
Ricostruzione dell’immagine: attenuazione
� Strutture identiche dovrebbero avere gli stessi valori di grigio e di
conseguenza le stesse ampiezze di riflessione.
� Attenuazione dell’energia acustica dell’onda ultrasonica durante la
propagazione -> l’ampiezza dell’onda incidente e riflessa diminuiscono
con la profondità
� L’attenuazione viene stimata e compensata
• poiché profondità e tempo variano linearmente si parla spesso di time gain compensation
• Modello esponenziale o più sofisticato è preso in considerazione
�Molti scanner a ultrasuoni consentono di variare manualmente il guadagno
a diverse profondità
35
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 35
Ricostruzione dell’immagine: compressione� Le riflessione diffuse, di ampiezza minore,
non sono in genere visibili nell’immagine
� Trasformazione del livello di grigio,
tipicamente una funzione logaritmica,
usata per far apparire anche il contributo
della riflessione diffusa
� Il modello dovuto ai punti diffusori (speckle
pattern) può in questo modo essere
rivelato; lo speckle pattern è diverso per i
diversi tessuti
36
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 36
Ricostruzione dell’immagine: scan conversion
� Le immagini ottenute con rotazione (tilt) del trasduttore sono immagini
in coordinate polari (aspetto triangolare)
� Un procedimento di interpolazione viene usato per trasformare
l’immagine in una a coordinate cartesiane (immagine rettangolare)
� Questo processo è chiamato scan conversion o ricostruzione del settore
37
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 37
Tempo di acquisizione e ricostruzione
�Tipicamente la singola linea in un’immagine corrisponde a 20 cm
− La velocità del suono è 1540 m/s
� il tempo per l’acquisizione di una linea è 267 µµµµs− Una immagine di 120 linee richiede circa 32 ms
� si possono acquisire immagini a circa 30 Hz (frames/s)
− Gli scanner clinici
acquisiscono più linee
simultaneamente
e raggiungono 70-80 Hz
38
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 38
Introduzione
Generazione e rivelazione di ultrasuoni
La fisica delle onde acustiche
Imaging a scala di grigio
Imaging Imaging DopplerDoppler
Apparecchiature
Uso clinico
39
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 39
Doppler imaging
� Indica immagini usate per visualizzare le velocità di movimento
dei tessuti
� L’acquisizione e la ricostruzione dei dati è diversa dall’imaging a
scala di grigio
� L’effetto Doppler non è sempre utilizzato
40
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 40
Doppler imaging: continuous wave CW
�‘CW’ per onda continua
�Paragona la frequenza dell’onda trasmessa fT con la frequenza
dell’onda ricevuta fR
− La frequenza Doppler è quindi
− La frequenza doppler è
resa udibile
− La tonalità è una misura
analogica della velocità
2 cos2 aaD R T T T
a
vvf f f f f
c v c
θ−−= − = ≈+
41
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 41
Doppler imaging: pulse wave PW (1)
� ‘PW’ per onda pulsata
� Non fa uso del principio Doppler
• invece, il segnale ricevuto è assunto essere una replica scalata e ritardatadi quello trasmesso
� ∆t è il tempo tra trasmissione e ricezione
dell’impulso; esso dipende dalla distanza
tra trasduttore e scatteratore
• in realtà, acquisiamo soltanto un campione di ciascuno
degli impulsi ricevuti, a tR:
• Se il diffusore si allontana con velocità va, allora la distanza aumenta con va TPRF (TPRF: periodo di ripetizione dell’impulso)
• Questo aumenta il tempo ∆t (o lo diminuisce se il diffusore si avvicina)
( ) sin(2 ( ))Ts t A f t tπ= − ∆
( ) sin(2 ( ))R T Rs t A f t tπ= − ∆
42
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 42
Doppler imaging: pulse wave PW (2)• Quindi, la sequenza di campionamento sj è:
− Di conseguenza, maggiore è va, più alta è la frequanza della sinusoidecampionata:
− Per ottenere informazione sulla direzione, si deve fare più di un campionamento per impulso (due volte per mezza oscillazione) :
2sin( 2 ( ) )a PRF
j T
v Ts A f j B
cπ ⋅= − ⋅ +
2 aD T
vf f
c= −
43
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 43
Doppler imaging: pulse wave PW (3)
44
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 44
Doppler imaging: Color flow CW
� Calcola lo shift di fase tra due impulsi successivi ricevuti
− Misura lo shift di fase campionando
due impulsi successivi a due tempi specifici tR1 e tR2− Per ridurre il rumore, generalmente I risultati di 3- 7 di tali campionamenti
(impulsi) vengono mediati
− dividendo la linea RF acquisita in segmenti (range gates) è possibile ottenerele velocità ad un certo numero di pprofondità
− Acquisendo lungo una singola linea
fornisce un display tipo modo M
− Acquisendo lungo linee multiple
permette di ottenere un display
tipo modo B
22 ( )a PRF
T
v Tf
cϕ π ⋅∆ =
Movimento del flusso sanguigno:
rosso: movimento verso il trasduttore
blu: movimento lontano dal trasduttore
45
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 45
Introduzione
Generazione e rivelazione di ultrasuoni
La fisica delle onde acustiche
Imaging a scala di grigio
Imaging Doppler
ApparecchiatureApparecchiature
Uso clinico
46
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 46
Strumentazione per l’ultrasonic imaging
Sinistra: trasduttore ad array lineare
destra: trasduttore phased array
Scanner echocardiografico commerciale
47
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 47
• Introduzione
• Generazione e rivelazione di ultrasuoni
• La fisica delle onde acustiche
• Imaging a scala di grigio
• Imaging Doppler
• Apparecchiature
•• Uso clinicoUso clinico
48
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 48
Applicazioni degli ultrasuoni (1)
Sinistra: ultrasuoni del cranio normali.
Destra: cavità cerebrali riempite di liquido su tutti e due i laticome nel caso di una emorragia intaventricolare
49
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 49
Applicazioni degli ultrasuoni (2)
Sinistra: polmone normale
Destra: effusione pleurale
50
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 50
Applicazioni degli ultrasuoni (3)
Sinistra: fegato normale
Destra: fegato con una ciste
51
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 51
Applicazioni degli ultrasuoni (4)
Sinistra: prostata mostrante una lesioneipoecoica, probabilmente indice di un cancro
Right: con ago da biopsia
52
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 52
Applicazioni degli ultrasuoni (5)
Difetto dell’atrio (ASD)
53
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 53
Applicazioni degli ultrasuoni (6)
Immacine color flow doppler con rigurgitazione mitrale nell’atrio sinistro. Il colore verde chiaro corrisponde ad alta velocità in direzioni miste, dovuto ad un flusso molto turbolento di perdita attraverso una piccola buca nella valvolamitrale.
54
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 54
Riepilogo� Sono stati trattati i seguenti argomenti
− Ultrasuoni− Generazione e rivelazione di ultrasuoni− Fisica delle onde acustiche:
• Propagazione nei mezzi omogenei e disomogenei, trasmissione riflessione rifrazione, effetto Doppler
− Imaging a scala di grigio• Acquisizione dei dati• Ricostruzione dell’immagine
− Imaging Doppler• Acquisizione dei dati e ricostruzione dell’immagine
− Apparecchiature ed usi clinici
� Commenti e suggerimenti sono più che benvenuti!
� Da identificare metodi per applicare la formazione
55
1/9/2005 A.Di Bartolomeo – Master in Verifiche di Qual ità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radiot erapia 55
Ulteriori informazioni
� Libri, articoli, fonti elettroniche:
− P. Suetens, Fundamentals of medical imaging, Cambridge University Press
− Lezioni di Klaus Mueller, Computer Science Department, Stony Brook University
− P. N.T. Wells Ultrasonic imaging of human body Rep. Prog. Phys. 62 (1999) 671- 722
� Elencare servizi di consultazione e altre fonti