Ultrasound = echografie

1. Ultrasound = echografie Met dank aanJeroen De Geeter voortechnischebijstand

2. Basisprincipe Transducer Ultratonenlevereninformatie over weefselsomdatzijwordenweerkaatst op de grenstussenakoestischverschillende media. Zoontstaan echo’s die wordenopgevangenen waaruiteenbeeldwordtsamengesteld Ultrasound Weefsels

3. Ultrasound Het menselijkoorneemtenkelgeluidenwaar met eenfrequentie van 20 Hz tot 20.000 Hz: overtuigjezelf op http://www.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html. Akoestischesignalen met eenhogerefrequentie (=ultrasound) gedragenzichevenwelfysisch net zoalshoorbaregeluidsgolven. Voormedischetoepassingenwordt ultrasound gebruikt met frequentie in het gebied van MHz.

4. Geluidsgolven Golvenontstaandoordat de tussenstof (waarin de golf zichbeweegt) wordtsamengedrukt (door de geluidsbron), zodat de moleculenplaatselijkkorterbijelkaarkomentezitten: de tussenstofwordtdaardichter. Deze zone van verdichtinggaatzich in de tussenstofverplaatsen met eenbepaaldesnelheid. Die snelheidhangtaf van de akoestischeeigenschappen van de tussenstof, ompreciestezijn van de akoestischeimpedantie. Ditfenomeen is tevergelijken met eenmetalen veer waardoorheenzichenkelesamengedrukteringenverplaatsen: http://www.youtube.com/watch?v=ubRlaCCQfDk&feature=related De geluidsbron (bijvoorbeeldeentrillendestemvork) veroorzaaktechternietalleeneenverdichting van de tussenstof. Meteendaarnamaakt de bronimmerseentegengesteldebeweging, zodat nu de tussenstofjuistijlergaatworden. De twee bewegingen van de geluidsbronwisselenelkaarcyclischaf. Zoontstaanopeenvolgendeverdichtingen en verijlingen van de tussenstof, die zichdoorheen de tussenstofpropagerenaandezelfdesnelheid. Op eenzelfdelokalisatie in de tussenstofwisselen de verdichtingen en verijlingenelkaaraf met dezelfdefrequentiealswaarmee de geluidsbrontrilt.

5. Geluidsgolven dichtheid Ditzijn de golvenveroorzaakt door eenstemvork in de lucht. De dichtheid van de luchtmoleculenwordtweergegeven door de streepjes. Op eenbepaaldeplaatskunnen we de dichtheiduitzetten in functie van de tijd. Die curve zieterzouit. Op eenbepaaldtijdstipkunnen we de dichtheiduitzetten in functie van de afstand tot de geluidsbron. Dit is wat je bekomt. tijd dichtheid afstand

6. Geluidsgolven dichtheid We hernemen de twee curven van vorigplaatje. Op de bovenste curve definiëren we de periode T als de tijdtussen twee opeenvolgendetoppen. Frequentie f is het omgekeerde van T, dus 1/T. Op de onderste curve definiëren we de golflengteλalsde afstandtussentwee opeenvolgendetoppen. De voortplantingssnelheid van het geluid is het product van frequentie met golflengte. Zoals reeds gezegdwordtzebepaald door de tussenstof. T tijd dichtheid λ afstand Snelheid = f X λ

7. Interactie met materie Net zoalslichtgolven, zijnookgeluidsgolvenonderhevigaanbreking (refractie) en terugkaatsing (reflectie). Terugkaatsingvindtplaats op het scheidingsvlak (‘interface’) tussentussenstoffen met verschillendeakoestischeimpedantie. Ditfenomeen is des tebelangrijkernaarmate de impedantiesmeerverschillen. Het principe van ultrasound beeldvormingberust op terugkaatsing. Brekingverstoort de beeldvorming. Ultrasound verliestenergienaarmatehijdieper in tussenstoffendoordringt (voornamelijk door omzetting in warmte): ditfenomeenheetverzwakking of attenuatie. Attenuatie is meeruitgesprokennaarmate de ultrasound hogerefrequentieheeft. Attenuatiehangtookaf van de tussenstof (is bvb. sterker in lucht of in bot dan in water). Ookattenuatie is ongewenstvoor de beeldvorming. In weefselszijnkleinereflectorenaanwezig, die gelijktijdigeenultrasoundpulskunnenreflecteren. Ditgeeftaanleiding tot meerderegelijktijdige echo’s. Hun interactieveroorzaakt de typischespikkels (‘speckle’) in het ultrasoundbeeld. Zeverminderen de resolutie van het beeld.

8. Interactie met materie Voorenkeleweefselsvind je hierhunakoestischeimpedantie en de snelheid van (ultra)geluiderin. Voorenkele interfaces vind je hier hoe efficiëntze het (ultra)geluidweerkaatsen. Hoe kleiner het verlies, hoe beter de interface het geluidweerkaatst.

9. Transducer Ultrasound wordtgeproduceerd in een transducer. Die bevatéén of meerderepiezoelektrischekristallen. Zulkeenkristalzetelektrische spanning om in mechanische trilling en omgekeerd. De transducer registreertook de terugkerende echo’s. Na het uitzenden van eenkortepuls ultrasound ‘luistert’ de transducer naar de terugkerende echo’s. Ditwordtcyclischherhaald.

10. Echografie De transducer wordt op het lichaamsoppervlakgeplaatstboven het teonderzoekengebied. Op de huidwordt gel aangebrachtomervoortezorgendatzichgeentegroteverschillen in akoestischeimpedantievoordoentussen de transducer en het lichaam(waarom?).

11. Tijd ≈ afstand 130 ms 39 ms 13 ms cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hoe kunnen nu beeldenwordengemaaktaan de hand van echo’s? Als de voortplantingssnelheid van de ultrageluidsgolvenvastligt, komt de tijdtussen het uitzenden van eenultrageluid en het opvangen van de echo, overeen met eenbepaaldeafgelegdeafstand. Alsdus de snelheid van het geluidvastligt, 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 hebbengezienhangt de snelheid in werkelijkheidaf van de tussenstof. Om beeldentemakenwordtveronderstelddat de snelheidoveraldeze is in wekeweefsels (1540 m/s). Anderetussenstoffenzullendusaanleidinggeven tot onjuistgelokaliseerdesignalen.

12. A-mode ORGAN TO SCAN DISPLAY VERTEBRA In de meesteenvoudige(historische) A(mplitude)-modus wordt de sterkte van de opgevangen echo op éénscanlijnuitgezet in functie van de tijd (≈ diepte). De piekenkomendusovereen met interfaces. Voor B- of M-mode wordt de echosterkteweergegeven door de helderheid van de spots. PULSE ECHO A-SCAN DISPLAY STRENGTH OF SIGNAL TIME B-SCAN DISPLAY

13. A-mode De echosterktewordtgecompenseerdvoorattenuatie (dusvoor de diepte, of tijd). Zonietzouden de diepere interfaces zwakkeroverkomen (waarom?). (TGC staatvoor time gain correction)

14. Resolutie Op slide 9 werd reeds vermelddatkortepulsen ultrasound gebruiktworden. Het belang van eenkortepulswordthieruitgelegd. Op de eerste interface (wittelijn) wordt de pulsgedeeltelijkweerkaatst (echo1); eenanderdeel van de energiegaat door naar de tweede interface en wordtdaarweerkaatst (echo2). Als de twee interfaces minder daneen halve pulslengte van elkaarzijngescheiden (rechts), dan zit de kop van echo2 in de staart van echo1 en worden de twee interfaces dusnietafzonderlijkgezien. Hogereultrasoundfrequentiesgeveneenbetereruimtelijkeresolutie, want vooreenzelfdeaantaltrillingen is de pulsdaarkorter. Daartegenoverstaatevenweleensterkereattenuatie(zie slide 7). Pulslengte Afstand interfaces > ½ pulslengte Afstand interfaces < ½ pulslengte Resulterendechosignaal

15. B-mode In de B(rightness) modus wordt de sterkte van de echo aangegeven door de helderheid van het beeld (zieook de figuur op slide 12). Nu wordenechtermeerderescanlijnengecombineerd tot éénbeeld. Dezescanlijnenwordenachtereenvolgensbekomen door de ultrasoundbundel in verschillenderichtingentesturen.

16. B-mode Een B-modus beeld van eengalblaas met daaringalstenen. Onder de galstenenzie je eenrelatiefzwartestrook. Hoe zou die ontstaan?

17. M-mode De M(otion) modus wordtvoornamelijkgebruikt in echocardiografie. We ontmoetten hem al in de inleiding. Nu wordenachtereenvolgendebeelden van eenzelfdescanlijn achtermekaargeplaatst in het beeld, datdus de echosterkteweergeeft in functie van de diepte (y-as) en de tijd (x-as) . Je herkenteendoorsnede door eeneenhartkamer (de randen van de spierwandkan je zienals twee ruwwegconcentrischecirkels). Je ziet hoe in de loop van eenhartcyclus de wanden (W) van de hartkamereerstnaarmekaar toe bewegen en zichdanweer van elkaarverwijderen. W diepte W tijd

18. Doppler effect De waargenomengeluidsfrequentieverandertals de geluidsbronbeweegt ten opzichte van de waarnemer, of als de waarnemerbeweegt ten opzichte van de geluidsbron. Het filmpjehiernaasttoontdatvooreenvoorbijsnellenderacewagen.

19. Doppler effect De waargenomengeluidsfrequentieverandertals de geluidsbronbeweegt ten opzichte van de waarnemer, of als de waarnemerbeweegt ten opzichte van de geluidsbron. Het filmpjehiernaasttoontdatvooreenvoorbijsnellenderacewagen. Ditfenomeenkanwordengebruiktvoor het meten van bloedsnelheden. Rode bloedlichaampjes die naar de transducer toe bewegenverhogen de waargenomenfrequentie; bloedlichaampjes die van de transducer wegbewegenverlagen de waargenomenfrequentie. De dopplerverschuivingΔf, dit is de verandering van de frequentie, wordtweergegeven in volgendeformule: Δf = 2 . f. v. cosθ transducer bloedvat θ v Δf = 2 . f. v. cosθ Δf = dopplerverschuiving f = frequentie van de uitgezonden ultrasound v = snelheid van het bloed θ= hoektussen ultrasound en bloedvat v.Cosθ = component van snelheid in richting van transducer

20. Continue doppler • Bij continue dopplerwordtcontinu ultrasound uitgezonden door een transmitter en wordt de echo continugeregistreerd door een receiver. De transducer bestaathierdusuit twee afzonderlijkeelementen. Vergelijking van het uitgezonden met het opgevangensignaallevert de dopplerverschuiving, en dus de snelheid van het bloed. • Nadeel van de techniek is dat de bekomendopplerverschuiving het helegebied van gevoeligheidbetreft (dit is het gebiedwaar transmitter en receiver elkaaroverlappen). De dieptekandusnietwordengekozen. • Voordeel van de techniek is evenweldatookhogebloedsnelhedenkunnenwordengemeten. transmitter receiver bloedvat

21. Gepulseerdedoppler • Bijgepulseerdedoppler wordenmeerderekortepulsen ultrasound uitgezonden door een transmitter en wordt de echo geregistreerd door dezelfde transmitter. Vergelijking van de uitgezonden met de opgevangensignalenlevertweer de dopplerverschuiving, en dus de snelheid van het bloed. • Voordeel van de techniek is dat de dopplerverschuivingkanwordengemeten op eenvoorafgekozendiepte. Die komtimmersovereen met echo’s op eenbepaaldtijdstipna het uitzenden van de puls. • Nadeel van de techniek is datgeenhogebloedsnelhedenkunnenwordengemeten. • Dezetechniekkanwordengecombineerd met B-mode; ditwordt duplex genoemd. dopplersignaal Continue doppler Gepulseerdedoppler Hierwordt het dopplersignaalbekomenalseencontinugeheel Hierwordt het dopplersignaalbekomenalsafzonderlijkepunten

22. Continue versus gepulseerdedoppler Bloedstroom door eenlekkendeaortaklep in continue (links) en gepulseerdedoppler (rechts). De snelheden in de bloedstroomwordenzoalsgewoonlijkweergegevenalseengrafiek in functie van de tijd. Positievesnelhedenzijnweg van de transducer, negatieveernaartoe. De hogesnelheden in het lekleidenertoedat de snelheidsmetingen in gepulseerdedopplernietbetrouwbaarzijn.

23. Kleurendoppler • Kleurendopplerkijktooknaarbewegendestructuren, net zoalsgepulseerdedoppler. • Hierworden per scanlijnmeerderekort op elkaarvolgendepuls-echo sequentiesgebruikt. Bewegendestructuren in het beeldveroorzakeneenfaseverschuivingdaartussen. Het principewordthiergeïllustreerdvoor 2 puls-echo sequenties. • Hieruitworden (via autocorrelatie) gemiddelde en variantie van de snelheidberekend. Die worden op het beeldweergegeven met kleuren. • Dezemetingenzijn minder nauwkeurigdan met gepulseerdedoppler. Het voordeel van kleurendoppler is evenweldatmeteeninformatie over meerderediepteswordtbekomen. Puls 1 bereikt de bewegende reflector. We nemen het punt waardatgebeurtalsreferentie. Puls 2 startte even napuls 1, zodathij de bewegende reflector pas bereiktals die al verder (hier: dieper) is. Die heeftondertusseneenafstand d afgelegd. d Tegen de tijddat de echo van puls 2opnieuw het referentiepuntheeftbereikt, is de echo van puls 1 al weer 2d (hiernaar de oppervlakte) opgeschoven. Vergelijking van de twee echo’s toont de faseverschuiving en daaruitkan de dopplerverschuivingwordenafgeleid.

24. Kleurendoppler Dezetechniekwordtvaakgebruikt in de cardiologie. In het voorbeeldzie je eenlekkendeklep.Flow naar de ultrasoundtransducer toe is in het rood, van de transducer weg is in het blauw. Het groentoont de variantie op de snelheden.

25. Power doppler • Power doppler is eenoptiebijkleurendoppler. • Het dopplersignaalwordthierandersverwerkt: ipv de fase van het signaalwordthier de amplitude gemeten. De kleurengevenenkelaan of bloedstromingaanwezig is of niet, nietwat de snelheid is. • Voordeel van dezetechniek is datooktraagbewegendbloed, of bloedvaten die evenwijdig met de transducer lopen, kunnenwordengevisualiseerd. • Ookdezetechniekkanwordengecombineerd met B-mode. v P A A tijd frequentie f0 v P B B tijd frequentie f0 Bloedvat A wordtmeerlongitudinaalgetroffen, bloedvat B meerdwars. Het profiel van snelheid in functie van tijd is daardoorsterkverschillend– afgevlakt in B. Toch is de oppervlakteonder de powergrafiekdezelfdevoor A en B. Zokan power dopplertochook in B de bloedstroming in beeldbrengen. (v = snelheid, P = power)

26. Power doppler Power doppler van de nierdoorbloeding. De helderheid van de kleurgeeft de amplitude weer van het signaal. De kleurgeeft de richtingaan: rood naar de transducer toe, blauw van de transducer weg.

27. Veiligheid • In de voordiagnostiekgebruikteintensiteit van ultrasound zijngeennevenwerkingenbekend. Ultrasound wordtdanookalseenuiterstveligetechniekbeschouwd. Het is de techniekbijuitstekvoorfoetale screening. • Hogereintensiteiten en langdurigerblootstellingkunnenwelaanleidinggeven tot • thermischeeffecten: opwarming van weefsels • mechanischeeffecten: ondermeerholtevorming. De niersteenverbrijzelaarmaaktgebruik van ultrasound!

28. Voorwiemeerwil http://www.sprawls.org/ppmi2/USPRO/: de basics http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=430090: eenzeerbegrijpelijkeuiteenzetting over het dopplereffect http://folk.ntnu.no/stoylen/strainrate/Ultrasound/: eenmeergevorderde en rijkgeïllustreerdeuiteenzetting over diverse aspecten van ultrasound http://www.medcyclopaedia.com/library/topics/volume_i.aspx: eenencyclopedie over alleaspecten van beeldvorming; in deel1 vind je talrijketrefwoorden in verband met ultrasound.