Transcript 02 TPM Ultrasonografia

TECHNICKÉ PROSTRIEDKY
MEDICÍNY
Ultrasonografia
Ultrasonografia
História
• 40. roky 20. storočia – prvé pokusy s ultrazvukovou echografiou v
naväznosti na radary a sonary
• začiatok 50. rokov John Wild a John Reid (USA) vyvinuli prototyp
ultrazvukového zobrazovacieho zariadenia
• Douglas Howry a Joseph Holms vyvinuli zariadenie na priečne zobrazenie
ruky a nohy
• 1955 Shigeo Satomura a Yasuhara Nimura (JAP) využili Dopplerov jav na
zobrazenie pohybu tkaniva
• Súčasne Inge Edler a Hellmuth Hertz (Švédsko) vytvorili echokardiograf na
sledovanie funkcie srdca
• 70. roky – rozšírenie USG ako diagnostického prostriedku (zdoknalenie
zariadení v nadväznosti na rozvoj výpočtovej techniky)
• 1958 prvé zobrazenie plodu v tele matky
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
2
Vlastnosti ultrazvuku
Ultrazvuk pre využitie v sonografii
– pozdĺžne polarizované mechanické vlnenie
– používané frekvencie 2 až 20MHz (výnimočne až 100 MHz)
Harmonické ultrazvukové vlnenie
u( x)  um e x sin( t  k x  0 )
k=2/ - vlnové číslo,  - koeficient tlmenia
Fázová rýchlosť a vlnová impedancia
c
E/
Akustický tlak a intenzita vlnenia
pm   c  um  Z vm
Z  c
2
pm
1
2
I  Z um 
2
2Z
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
3
Vlastnosti ultrazvuku
Odraz ultrazvuku na rozhraní dvoch prostredí
R
Z1  Z 2
Z1  Z 2
Rozptyl ultrazvuku na časticiach prostredia
2

2 π  0    4  d 

 k   1  cos 2 
I    I 0
3 R 2  2 0   
2
6

Tlmenie ultrazvuku (v pásme do 20 MHz)
  1 f
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
4
Akustické vlastnosti vybraných materiálov
rýchlosť c
(m/s)
akustická impedancia Z
(103 kg/m2/s)
koeficient tlmenia γ (dB/m)
pri 1 MHz
vzduch
340
0,408
16
voda
1480
1480
0,003
tuk
1450
1380
0,5 1,0
myokard
1550
1620
4,0
krv
1550
1610
0,17  0,24
kosť
3360
6000
16  23
pečeň
1570
1650
0,6  0,9
hliník
6420
17300
0,024
Prostredie
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
5
Difrakcia vlnenia a vlnové zobrazovanie
Medzná rozlišovacia schopnosť vlnového zobrazovania
x~
Pre priemernú rýchlosť vlnenia v tkanive c=1540m/s
pri 2MHz x ~ 0,8 mm
pri 15MHz x ~ 0,1 mm
Zvyšovanie frekvencie :
zvyšovanie rozlišovacej schopnosti
zvyšovanie útlmu (zmenšovanie hĺbky zobrazenia)
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
6
Zdroje a detektory ultrazvuku
Piezoelektrické meniče
Elektródy
PZ platnička
u(t)
E
d(t)
Akustická väzba
Ultrazvukové vlnenie
Objekt
Obr.1.1. Princíp piezoelektrického elektromechanického meniča
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
7
Zdroje a detektory ultrazvuku
Vyžarovanie kruhovej platničky

Obr.1.2. Vyžarovacia charakteristika meniča.
I ( )  2 J 1 (kr sin  ) 


I0
 kr sin  

 m  arcsin  0,026



r
Pre r= 2 mm,  = 0,3 mm je m= 0,22°.
Vysielacia a prjjímacia charakteristika je rovnaká.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
8
Zdroje a detektory ultrazvuku
Skupinové piezoelektrické meniče

D
Nδ
nδ
δ
nδ
φ
zF
x
F
(a)
(b)
(c)
Obr.1.3. Štruktúrované fázovo riadené skupinové ultrazvukové meniče
pre dvojrozmerné zobrazovanie.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
9
Zdroje a detektory ultrazvuku
Skupinové piezoelektrické meniče
x
Sekcia aktívnych
segmentov
y
Zakrivený povrch meniča
(a)
Segmenty meniča
(b)
Obr.1.4. Konvexná sonda (a) a 2D segmentový menič (b).
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
10
Zdroje a detektory ultrazvuku
(a)
(b)
(c)
(d)
Obr.1.5. Vybrané typy USG sond. Lineárna (a), konvexná (b) a (c), endoskopická (d).
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
11
Lekárska sonografia
Zobrazenie A-mód (Amplitude moode)
•impulzná sonografia
•impulzy ~1 s
•hĺbkové rozlíšenie z = c  ~ 1,5 mm (závisí od frekvencie)
Širokopásmový
TGC prijímač
Generátor VF
impulzov
Ultrazvukový menič
Odrazené
vlny
Excitačný impulz
Priama
vlna
Odrazené impulzy
Čas
Vyšetrovaný objekt
Obrazovka osciloskopu
prijímač
Obr.1.6. Zobrazenie odrazených ultrazvukových signálov, Amód.
prijímač
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
12
Lekárska sonografia
Zobrazenie B-mód (Brightness mode)
Excitačný impulz
Odrazené impulzy
Ascan
Bscan
čas
Jasová modulácia
Obr.1.7. Porovnanie Ascan a Bscan zobrazenia
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
13
Lekárska sonografia
Zobrazenie B-mód (Brightness mode)
Excitačný impulz
Odrazené impulzy
Ascan
Bscan
čas
Jasová modulácia
Obr.1.7. Porovnanie Ascan a Bscan zobrazenia
Využitie na
• sektorové zobrazovanie
•zobrazovanie v M-móde
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
14
Lekárska sonografia
2D zobrazenie
Aktívna plocha meniča
Menič
Menič
Objekt
(1)
(2)
Ultrazvukové lúče
Objekt
Smer posunutia
(1)
(2)
Hranica sektoru
Ultrazvukové lúče
Obr.1.9. Pravouhlý a polárny (sektorový) 2Dmód.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
15
Lekárska sonografia
2D zobrazenie pravouhlé a sektorové
(a)
(b)
Obr.1.10. Ultrasonografické 2Dzobrazenia. (a) pravouhlé zobrazenie cievy lineárnou sondou, (b) sektorové zobrazenie dieťaťa v tele matky
konvexnou sondou.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
16
Lekárska sonografia
Zobrazenie M-mód (Moving mode)
(a)
(b)
Obr.1.8. M-mód zobrazenia v kombinácii so sektorovým 2D zobrazením. (a) Sledovanie dynamiky srdcovej komory, (b)
Vyšetrovanie dynamiky srdcovej chlopne.
Zobrazenie pohyblivých orgánov v B-móde a s rozložením v čase
Kombinuje sa s 2D zobrazením (úsečka vyznačuje smer M-zobrazenia)
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
17
Lekárska sonografia
3D zobrazenie a 4D zobrazenie (funkčná 3D sonografia)
(a)
(b)
Obr.1.11. Ultrazvukové 3Dzobrazenie.
(a) močový kameň, (b) hlava dieťaťa v tele matky.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
18
Lekárska sonografia
Dopplerovská sonografia
Objekt
v
α
f0
Menič
fp
Odrážajúci element
Obr.1.12. Dopplerov jav.
v


fp  f0  1  2 cos 
c


Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
19
Lekárska sonografia
CW dopplerovská sonografia (Continuing Wave)
CW generátor
f0
Sonda
f0 + f
Frekvenčný
diskriminátor
u = k f
Jednoduché tužkové
prietokomery
• nízka cena
• operatívnosť
• väčší rozsah rýchlosti
• neposkytuje informáciu o
hĺbke
NF
zosilňovač
Citlivá oblasť
Osciloskop
Obr.1.13. CW dopplerovská sonografia.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
20
Lekárska sonografia
Impulzná dopplerovská sonografia
(a)
(b)
Obr. 1.14. Dopplerovská sonografia. (a) Tok krvi v karotíde zobrazený lineárnym meničom, (b) prietok krvi na výstupe ľavej srdcovej
komory konvexnou sondou.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
21
Lekárska sonografia
Farebne kódovaná dopplerovská sonografia
Duplexná sonografia (DUPLEX)
Obr.1.15. Farebne kódované zobrazenie výrezu sektorového zobrazenia
http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Doppler_mitral_valve.gif
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
22
Lekárska sonografia
Kombinované duplexné zobrazenie
Obr.1.16. Impulzný dopplerovský záznam (vľavo) v kombinácii s farebne kódovaným dopplerovským sektorovým zobrazením (vpravo).
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
23
Lekárska sonografia
Zobrazovanie s použitím kontrastných látok
• Odbúrateľné mikročastice s priemerom 1 až 10 m
• Jemné vzduchové bublinky
Intravenózna aplikácia
Vypĺňanie dutín
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
24
Praktické aspekty USG
Výhody:
•
•
•
•
•
•
Veľmi efektívne zobrazuje mäkké tkanivá a svaly a rozhrania s tvrdým tkanivom
a dutinami.
Umožňuje zobrazovať štruktúru orgánov (dokonca trojrozmerne).
Umožňuje zobrazovanie orgánov v reálnom čase a sledovať tak ich funkčnosť.
Umožňuje tiež sledovať priebeh úkonov ako injekcie alebo biopsie.
Nie sú známe negatívne účinky USG vyšetrenia na pacienta (s výnimkou
vyšetrovania vysokovýkonným ultrazvukom, kedy môže dôjsť k povrchovým
popáleninám, intenzita sa obmedzuje limitnou hodnotou 10W/m2)
Značná univerzálnosť a flexibilita použitia, ľahký transport zariadenia za
pacientom atď.
Zariadenia sú relatívne lacné v porovnaní s inými zobrazovacími prostriedkami
ako CT, MRI a pod. Pozn.: Používané zariadenia sú v cene od 30 000 do
200 000 euro podľa výbavy zariadenia. Okrem náročných stacionárnych
zariadení s plnou výbavou sa používajú aj ľahké prenosné zariadenia.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
25
Praktické aspekty USG
Nevýhody:
• Ultrazvuk sa odráža od rozhrania mäkkého tkaniva a kosti, preto kosti
nemožno vyšetrovať pomocou USG a rovnako tkanivá zatienené kosťou,
napr. mozog dospelého človeka.
• Ultrazvuk sa odráža od rozhrania mäkkého tkaniva a plynnej dutiny. USG
sa preto nepožíva na vyšetrovanie pľúc. Pri vyšetrovaní pankreasu môžu
plyny v tráviacom trakte tiež znemožniť vyšetrovanie.
• Útlm ultrazvuku narastá s hĺbkou. Problematické je preto vyšetrovanie
obéznych ľudí. Tlmenie možno znížiť znížením frekvencie, ale tým sa
znižuje i rozlišovacia schopnosť.
• Vzhľadom na intuitívne nastavenie polohy sondy je ťažké zopakovať
rovnaké nastavenie a porovnávať tak získané obrazy. Na získanie
kvalitných obrazov a presné určovanie diagnózy s použitím USG sa
vyžaduje veľká skúsenosť lekára.
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
26
Ukážka zariadení USG
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
27
Ukážka zariadení USG
Sektorový Bmód a Mmód,
pevne nastaviteľné frekvencie
3,5 a 5,0 MHz,
mechanická konvexná sonda,
hmotnosť 0,6 kg
Všetky typy zobrazenia vrátane
duplexného
hĺbka zobrazenia do 30 cm,
frekvencia 2  10 MHz,
fázovo riadená sonda
s možnosťou hĺbkovej fokusácie
Žilinská univerzita – Elektrotechnická fakulta – Biomedicínske inžinierstvo – 2010/11
28