Základní principy a historie ultrazvukového vyšetřování Tomáš Jůza Klinika radiologie a nukleární medicíny FN Brno Biofyzikální ústav LF MU Kurz UZ techniky Čejkovice 2019 Ultrazvuk •Lazzaro Spallanzani 1794 – echolokace •netopýrů mechanickým vlněním •o vyšší než slyšitelné frekvenci • •Mechanické vlnění, f >20kHz •(v praxi k diagnostice 2-18MHz) • •Podélné (zahušťování a zřeďování) •Příčné (pružné pevné látky, povrchy •kapalin) • • Prostředí Rychlost [m.s–1] Vzduch 330 Destilovaná voda 1480 Sklivec 1532 Játra 1550 Měkké tkáně 1550 Ledviny 1560 Kost 3500 Piezoelektrický jev https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/Piezoeffekt350px_clr.gif Sonar •Sound Navigation And Ranging •1914 •Aktivní sonar •Pulse-echo princip • •„hydrophone“ Ultrazvuk v praxi •První praktické využití - 1941 •detekce vad kovových materiálů •„supersonic reflectoscope“ Průkopníci v medicíně •Karl Theodore a Friederich Dussik - 1937 (mozkové nádory) •George Ludwig – 1949 (lokalizace žlučových kamenu, rychlost šíření UZ) •John Julian Wild - 1950 (ileus) A-mód •Douglas Howry - 1949 B-mód skener (somaskop) •Ian Donald - 1958 (gynekologie) A-mód, B-mód •Inge Edler a Carl Hellmuth Hertz 1954 -M- mód echokardiografie • http://www.ob-ultrasound.net/history1.html Karl Theodore Dussik •T1 -- ultrasonic generator, Q1-- transmitter, Q2 -- receiver, T2 -- converter amplifier, W -- waterbath, L -- light, P -- photographic/ heat-sensitive paper * •from "Ultraschall" by Lieselott Herforth and Herbert Winter. B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1958. http://www.ob-ultrasound.net/project/dussik4.jpg http://www.ob-ultrasound.net/project/dussik_diagram.jpg http://www.ob-ultrasound.net/project/hyperphonogram3.jpg http://www.ob-ultrasound.net/project/dussik5.jpg Vídeň Transmisní ultrazvukové vyšetření Snaha o detekci mozkových nádorů – výsledky však vyvráceny jako variety šíře lebečních kostí K detekce nepoužíval piezoelektrický princip ale fotografický George Döring Ludwig • http://www.ob-ultrasound.net/project/Ludwig_1972.jpg http://www.ob-ultrasound.net/project/Ludwig/Ludwig_Ultrasonic_Locator2.jpg Americká armáda,Bethesda Maryland Stanovil rychlost šíření ultrazvuku v měkkých tkáních, hodnota s níž se počítá dodnes 1540m/s Detekce žlučových kamenný v měkkých tkáních A modem John Julian Wild •http://www.ob-ultrasound.net/jjwildbio.html http://www.ob-ultrasound.net/project/jjwild8.jpg Anglicky chirurg, po WW2 emigrace do USA A mod k detekci ileu Šíře a vrstvy stěny střeva B mod k detekce nádoru prsu a měkkých tkání Douglass Howry http://www.ob-ultrasound.net/project/howry.jpg http://www.ob-ultrasound.net/project/posakony_2.jpg Především technická stránka vyšetření 1949 1. B –mod skener imerzní prostředí Soamscope 1954, princip dorzálních akustických stínů žeber…. Potřeba pohledu z více úhlů Ian Donald http://www.ob-ultrasound.net/project/donald_ne4102_2.jpg http://www.ob-ultrasound.net/project/iandonald_l2.jpg Skotsko Gynekologie-porodnictví Metal-flaw detektor 1958, “Investigation of Abdominal Masses by Pulsed Ultrasound.” Močový měchýř jako akustické okno do pánve Inge Edler a Carl Hellmuth Hertz • Výsledek obrázku pro edler hertz N:\RDK\Juza\uz_historie_cejkovice\Edler-and-Hertz-with-the-reflectoscope-in-1953.png Švédsko Real-time a M-mode echokardipgrafie • •http://www.ob-ultrasound.net/history1.html • •Vidoson 635, Siemens •První B-mód v reálném čase komerčně dostupný, 1967 https://www.siemens.com/press/pool/de/pressebilder/2014/healthcare/300dpi/IM2014110169HC_300dpi.jpg www.siemens.com/press https://www.siemens.com/press/en/presspicture/?press=/en/presspicture/2014/healthcare/im2014110169h cen.htm&content[]=H&content[]=HC Základní principy ultrazvukového vyšetřování Šíření ultrazvuku prostředním •odraz •na rozhraní dvou prostředí s výrazně rozdílnou impedancí •rozptyl •na mikroskopických rozhraních, jejichž velikost je menší než vlnová délka vysílaného ultrazvuku •ohyb, lom •na rozhraní dvou prostředí, když vlnění • nedopadá kolmo (vznik UZ artefaktů) •absorpce •postupná ztráta energie při průchodu • prostředním (formou tepelné energie) •roste s frekvencí a hustotou • Principy ultrazvukového zobrazování •Odražené akustické vlnění na rozhraní prostřední s rozdílnou akustickou impedancí •Čas a intenzita •Akustická impedance - odpor, který klade prostředí ultrazvuku •Rozhodující veličina při odrazu a lomu UZ vln na akustických rozhraních • • Možnosti rekonstrukce obrazu •A mód (Amplitude) •jednorozměrný UZ paprsek •B mód (Brightness) •2D zobrazení v reálném čase •Horizontální poloha – směr odrazu •Vertikální poloha – čas resp. hloubka •Jas – intenzita odrazu •(3D, 4D) •M mód (Motion) •Jednorozměrný B-mód + čas • A – mód, J. Wild, Reid 1952 Wild, J. J. & Reid, J. M. Application of Echo-Ranging Techniques to the Determination of Structure of Biological Tissues. Science 115, 226–230 (1952). C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_38_10-2.jpg B-mód Frame rate – b mod: FR = 77000/(# cycles/sector x depth) dáno pulse repetitiry frequency -> hloubkou zobrazované oblasti, i frekvencí sondy C:\Users\1831\Downloads\Capture-15_05_41-2.jpg 3D M-mód Dorzální stín Dorzální zesílení Fenomén okrajového stínu Dopplerův jev •Johann Christian Doppler 1845 •Přibližuje-li se zdroj zvuku o konstantní výšce (frekvenci) tónu směrem k pozorovateli, vnímá pozorovatel výšku tónu vyšší, rozdíl mezi frekvencemi záleží na rychlosti pohybu. •velikost frekvenčního posuvu je přímo úměrná frekvenci, rychlosti krevního toku a kosinu úhlu, který svírá směr UZ vln a tok krve •kritická mez nad 60° • Dopplerovské techniky •Kontinuální doppler •kontinuální nosnou vlnou (CW) •nelze určit hloubka, ze které signál přichází • Pulzní doppler •jeden elektroakustický měnič, který střídavě ultrazvukové vlnění vysílá a přijímá •doba mezi vysláním a příjmem ultrazvukového impulzu je úměrná vzdálenosti cévy od ultrazvukové sondy •umožňuje záznam rychlostního spektra toku krve v cévě • •Barevný doppler •v B-obrazu je definovaná výseč, ze které je dopplerovská informace o rychlosti a směru toku analyzována a zobrazena v podobě barevných pixelů (BART) •Spektrální záznam •Graf závislosti rychlosti na čase •Duplexní •kombinace dvojrozměrného dynamického zobrazení (B-mode) a pulsního dopplerovského měření •Triplexní •kombinace B zobrazení se spektrální křivkou a barevným dopplerem • • • •Energetický doppler •zobrazuje celou energii dopplerovského signálu •úměrná ploše vymezené spektrální křivkou • • Hrazdira_uz_brozurka_krivka •Spektrální záznam z •kontinuálního „dopplera“ C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_51_20-2.jpg Barevný mód C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_52_37-2.jpg Triplexní zobrazení Power doppler Bezpečnost ultrazvukového vyšetřování •Mechanický index (MI) •s kavitací spojené bioefekty •Závisí na akustickém tlaku a frekvenci •MI < 1,9 • •Tepelný index (TI) •poměr aktuálního výkonu k hodnotě která by zvýšila teplotu o 1°C •TIS – „soft tissue“, TIB – „bone“, TIC – „cranial bone“ https://radiopaedia.org/articles/thermal-index?lang=us https://radiopaedia.org/articles/mechanical-index Intensity <720mW/cm2 The British Medical Ultrasound Society. Guidelines for the safe use of diagnostic ultrasound equipment Prepared by the Safety Group of the British Medical Ultrasound Society. •Aliasing – dopplerovská posun větší než polovina pulse repetitive freq. Princip Dopplerovského zobrazení Tomáš Jůza Klinika radiologie a nukleární medicíny FN Brno Biofyzikální ústav LF MU Kurz UZ techniky Čejkovice 18.1.2020 Dopplerův jev •Přibližuje-li se zdroj zvuku o konstantní výšce (frekvenci) tónu směrem k pozorovateli, vnímá pozorovatel výšku tónu vyšší, rozdíl mezi frekvencemi záleží na rychlosti pohybu. • •Johann Christian Doppler, 1845 • •Při ultrazvukovém Dopplerovském zobrazení je zdrojem frekvenčního posunu zpětně rozptýlené vlnění od pohybujících se krevních elementů. • Zdroj dopplerovského posunu •Krev v B-modu anechogenní – neobsahuje zdroj odrazu UZ vlnění •Krevní elementy (především červené krvinky) menší než vlnová délka ultrazvukového vlnění •Vlnová délka UZ 5 MHz = 300 µm , velikost erytrocytů 7,4 µm •Rozptyl – část vln se vrací i po stejné dráze k UZ měniči •Potřebná větší intenzita ultrazvuku • •(analogie Rayleighova-Tyndallova rozptylu pro EM záření) • Difrakční bariera u mikroskopu Rayleigh – modrá obloha Tyndall – „svítící koloid“ Matematický základ • • • •∆f – rozdíl frekvencí – vysílané ultrazvukové a dopplerovsky posunuté •F0 – vysílaná frekvence zdroje ultrazvuku •v – rychlost toku krve v cévě •α – úhel mezi vysílaným ultrazvukem a směrem toku krve •c – rychlost šíření ultrazvuku prostředí Směr a rychlost toku (v) zdroj 60° 60° 0,5 0,5 Proč úhel 60°? Proč cosinus? Δf cos 0° = 1 Δf= (2f0v)/c cos 60° = 0,5 Δf= (f0v)/c cos 90° = 0 Δf= 0 Cos = délka přilehlé odvěsny / délka přepony - > přilehlá odvěsna představuje vektorově posun ve směru toku, délka přepony vlastí hodnotu posunu / rychlosti pohybu 60° vs. 64° 118 vs 134 82° vs. 86° 199 vs 398 Obsah obrázku monitor, elektronika, obrazovka, interiér Popis byl vytvořen automaticky • Dopplerovské techniky •S kontinuální nosnou vlnou (continuous wave - CW) • •Dva měniče – vysílač a přijímač •Výstupem spektrální záznam (změny rychlosti v čase) • •Signál je součtem všech posunů v dráze vlnění •- Nelze určit hloubka, ze které signál přichází •Měří libovolně velké rychlosti •Tužkové Dopplery pro vyšetření periferních cév • Kontinuální doppler • Pulzní doppler •S pulzní nosnou vlnou (pulse wave – PW) • •Jeden měnič, střídavě vysílá a přijímá •Doba mezi vysláním a příjmem UZ impulzu je úměrná vzdálenosti cévy od ultrazvukové sondy •Umožňuje záznam rychlostního spektra toku krve v konkrétní cévě v kombinaci s B-modem - duplexní zobrazení •Fyzikální limitace frekvencí vysílaných pulzů - pulzní repetiční frekvence (PRF) • - Hloubka cévy • - Rychlost toku v cévě (Nyquistův vzorkovací teorém) • Nyquistův vzorkovací teorém pokud byla vzorkovací frekvence vyšší než dvojnásobek nejvyšší harmonické složky vzorkovaného signálu.“ Barevný doppler •Barevné mapování, color doppler • •V B-obrazu definovaná výseč, ze které je pomocí techniky pulzního Dopplera opakovaně jedné ose sbírána informace o rychlosti a směru toku, která následně vykreslena do obrazu v podobě barevných pixelů (BART) •Obvykle vykreslena průměrná hodnota fázových posunů pro jednotlivý bod obrazu •Semikvantitativní hodnocení •V kombinaci se spektrálním záznamem pulzního Dopplera – triplexní zobrazení C:\Users\1831\Downloads\Capture-18_35_21-2.jpg Pokles vzorkovací frekvence obrazu – FR (frame rate) C:\Users\1831\Downloads\Capture-18_35_10-2.jpg Nárůst bezpečnostního indexu TIS (thermal index in soft tissue) ????? Energetický doppler •Power doppler, (CPA color power angio) • •Obdoba barevného mapování •Zobrazuje celou energii dopplerovského signálu – krom rychlosti započítává i intenzitu signálu (energie úměrná ploše vymezené spektrální křivkou) •Citlivost pro velmi pomalé toky •Málo ovlivněna úhlem •Nevhodná k určení rychlosti • • Hrazdira_uz_brozurka_krivka Barevný doppler vs. energetický doppler Praktická nastavení dopplerovského ultrazvuku •Steer – vychýlení UZ svazku pro zisk vhodného dopplerovského úhlu •Pro barevný i spektrální záznam •Definuje vlastní úhel mezi UZ vlněním a cévou • C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg Praktická nastavení dopplerovského ultrazvuku •Angle correct – úhlová korekce, pro správný výpočet rychlosti spektrálního záznamu • C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg Praktická nastavení dopplerovského ultrazvuku •Sample volume – vzorkovací objem, odpovídá rozsahu měřené cévy • • C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg Praktická nastavení dopplerovského ultrazvuku •Scale – škála, definuje rozsah měřených hodnot, pro barevný i spektrální záznam • C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg Baseline – základní (nulová) linie pro barevný i spektrální záznam Praktická nastavení dopplerovského ultrazvuku •WF – wall filter •hranice filtrovaných nízkých frekvencí pro odstranění šumu C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg Hodnocení dopplerovského záznamu •Velocities – rychlosti •PSV – peak systolic velocity •EDV – end diastolic velocity •MDV – minimal dilastolic velocity •RI – resistence index •AT – acceleration time • • C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg •Dodržovat správné nastavení -Co nejmenší úhel (do 60°) – steering! -Úhlová korekce dle skutečného průběhu cévy -Přizpůsobení baseline a scale – odstranění artefaktů • -Vhodný přednastavený program - • Závěr • Výsledek obrázku pro doppler effect joke https://i.redd.it/wff7dt5sgdr21.png Děkuji za pozornost