Ultrasound = echografie Met dank aan Jeroen De Geeter voor technische bijstand

Basisprincipe Transducer Ultratonen leveren informatie over weefsels omdat zij worden weerkaatst op de grens tussen akoestisch verschillende media. Zo ontstaan echo’s die worden opgevangen en waaruit een beeld wordt samengesteld Ultrasound Weefsels

Ultrasound Het menselijk oor neemt enkel geluiden waar met een frequentie van 20 Hz tot 20.000 Hz: overtuig jezelf op http://www.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html. Akoestische signalen met een hogere frequentie (=ultrasound) gedragen zich evenwel fysisch net zoals hoorbare geluidsgolven. Voor medische toepassingen wordt ultrasound gebruikt met frequentie in het gebied van MHz.

Geluidsgolven Golven ontstaan doordat de tussenstof (waarin de golf zich beweegt) wordt samengedrukt (door de geluidsbron), zodat de moleculen plaatselijk korter bij elkaar komen te zitten: de tussenstof wordt daar dichter. Deze zone van verdichting gaat zich in de tussenstof verplaatsen met een bepaalde snelheid. Die snelheid hangt af van de akoestische eigenschappen van de tussenstof, om precies te zijn van de akoestische impedantie. Dit fenomeen is te vergelijken met een metalen veer waardoorheen zich enkele samengedrukte ringen verplaatsen: http://www.youtube.com/watch?v=ubRlaCCQfDk&feature=related De geluidsbron (bijvoorbeeld een trillende stemvork) veroorzaakt echter niet alleen een verdichting van de tussenstof. Meteen daarna maakt de bron immers een tegengestelde beweging, zodat nu de tussenstof juist ijler gaat worden. De twee bewegingen van de geluidsbron wisselen elkaar cyclisch af. Zo ontstaan opeenvolgende verdichtingen en verijlingen van de tussenstof, die zich doorheen de tussenstof propageren aan dezelfde snelheid. Op eenzelfde lokalisatie in de tussenstof wisselen de verdichtingen en verijlingen elkaar af met dezelfde frequentie als waarmee de geluidsbron trilt.

Geluidsgolven dichtheid tijd dichtheid afstand Dit zijn de golven veroorzaakt door een stemvork in de lucht. De dichtheid van de luchtmoleculen wordt weergegeven door de streepjes. Op een bepaalde plaats kunnen we de dichtheid uitzetten in functie van de tijd. Die curve ziet er zo uit. Op een bepaald tijdstip kunnen we de dichtheid uitzetten in functie van de afstand tot de geluidsbron. Dit is wat je bekomt. dichtheid afstand

Geluidsgolven Snelheid = f X λ T λ dichtheid tijd dichtheid afstand We hernemen de twee curven van vorig plaatje. Op de bovenste curve definiëren we de periode T als de tijd tussen twee opeenvolgende toppen. Frequentie f is het omgekeerde van T, dus 1/T. Op de onderste curve definiëren we de golflengte λ als de afstand tussen twee opeenvolgende toppen. De voortplantingssnelheid van het geluid is het product van frequentie met golflengte. Zoals reeds gezegd wordt ze bepaald door de tussenstof. T tijd dichtheid λ afstand Snelheid = f X λ

Interactie met materie Net zoals lichtgolven, zijn ook geluidsgolven onderhevig aan breking (refractie) en terugkaatsing (reflectie). Terugkaatsing vindt plaats op het scheidingsvlak (‘interface’) tussen tussenstoffen met verschillende akoestische impedantie. Dit fenomeen is des te belangrijker naarmate de impedanties meer verschillen. Het principe van ultrasound beeldvorming berust op terugkaatsing. Breking verstoort de beeldvorming. Ultrasound verliest energie naarmate hij dieper in tussenstoffen doordringt (voornamelijk door omzetting in warmte): dit fenomeen heet verzwakking of attenuatie. Attenuatie is meer uitgesproken naarmate de ultrasound hogere frequentie heeft. Attenuatie hangt ook af van de tussenstof (is bvb. sterker in lucht of in bot dan in water). Ook attenuatie is ongewenst voor de beeldvorming. In weefsels zijn kleine reflectoren aanwezig, die gelijktijdig een ultrasoundpuls kunnen reflecteren. Dit geeft aanleiding tot meerdere gelijktijdige echo’s. Hun interactie veroorzaakt de typische spikkels (‘speckle’) in het ultrasoundbeeld. Ze verminderen de resolutie van het beeld.

Interactie met materie Tussenstof Akoestische impedantie (106 rayl) Snelheid (m/s) Lucht 0.0004 331 Vet 1.38 1450 Spier 1.70 1540 Bot 7.80 4100 Voor enkele weefsels vind je hier hun akoestische impedantie en de snelheid van (ultra)geluid erin. Voor enkele interfaces vind je hier hoe efficiënt ze het (ultra)geluid weerkaatsen. Hoe kleiner het verlies, hoe beter de interface het geluid weerkaatst. Interface Amplitudeverlies (dB) Vet / spier 20.0 Spier / lucht 0.01 Bot / weke weefsels 3.80

Transducer Ultrasound wordt geproduceerd in een transducer. Die bevat één of meerdere piezoelektrische kristallen. Zulk een kristal zet elektrische spanning om in mechanische trilling en omgekeerd. De transducer registreert ook de terugkerende echo’s. Na het uitzenden van een korte puls ultrasound ‘luistert’ de transducer naar de terugkerende echo’s. Dit wordt cyclisch herhaald.

Echografie De transducer wordt op het lichaamsoppervlak geplaatst boven het te onderzoeken gebied. Op de huid wordt gel aangebracht om ervoor te zorgen dat zich geen te grote verschillen in akoestische impedantie voordoen tussen de transducer en het lichaam (waarom?).

Tijd ≈ afstand cm 130 ms 39 ms 13 ms 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hoe kunnen nu beelden worden gemaakt aan de hand van echo’s? Als de voortplantingssnelheid van de ultrageluidsgolven vastligt, komt de tijd tussen het uitzenden van een ultrageluid en het opvangen van de echo, overeen met een bepaalde afgelegde afstand. Als dus de snelheid van het geluid vastligt, 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 hebben gezien hangt de snelheid in werkelijkheid af van de tussenstof. Om beelden te maken wordt verondersteld dat de snelheid overal deze is in weke weefsels (1540 m/s). Andere tussenstoffen zullen dus aanleiding geven tot onjuist gelokaliseerde signalen. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 ms 39 ms 130 ms cm

A-mode ORGAN TO SCAN DISPLAY VERTEBRA In de meest eenvoudige (historische) A(mplitude)-modus wordt de sterkte van de opgevangen echo op één scanlijn uitgezet in functie van de tijd (≈ diepte). De pieken komen dus overeen met interfaces. Voor B- of M-mode wordt de echosterkte weergegeven door de helderheid van de spots. PULSE ECHO A-SCAN DISPLAY STRENGTH OF SIGNAL TIME B-SCAN DISPLAY

A-mode De echosterkte wordt gecompenseerd voor attenuatie (dus voor de diepte, of tijd). Zoniet zouden de diepere interfaces zwakker overkomen (waarom?). (TGC staat voor time gain correction)

Resolutie Op slide 9 werd reeds vermeld dat korte pulsen ultrasound gebruikt worden. Het belang van een korte puls wordt hier uitgelegd. Op de eerste interface (witte lijn) wordt de puls gedeeltelijk weerkaatst (echo1); een ander deel van de energie gaat door naar de tweede interface en wordt daar weerkaatst (echo2). Als de twee interfaces minder dan een halve pulslengte van elkaar zijn gescheiden (rechts), dan zit de kop van echo2 in de staart van echo1 en worden de twee interfaces dus niet afzonderlijk gezien. Hogere ultrasoundfrequenties geven een betere ruimtelijke resolutie, want voor een zelfde aantal trillingen is de puls daar korter. Daar tegenover staat evenwel een sterkere attenuatie (zie slide 7). Pulslengte Afstand interfaces > ½ pulslengte Afstand interfaces < ½ pulslengte Resulterend echosignaal

B-mode In de B(rightness) modus wordt de sterkte van de echo aangegeven door de helderheid van het beeld (zie ook de figuur op slide 12). Nu worden echter meerdere scanlijnen gecombineerd tot één beeld. Deze scanlijnen worden achtereenvolgens bekomen door de ultrasoundbundel in verschillende richtingen te sturen.

B-mode Een B-modus beeld van een galblaas met daarin galstenen. Onder de galstenen zie je een relatief zwarte strook. Hoe zou die ontstaan?

M-mode De M(otion) modus wordt voornamelijk gebruikt in echocardiografie. We ontmoetten hem al in de inleiding. Nu worden achtereenvolgende beelden van een zelfde scanlijn  achter mekaar geplaatst in het beeld, dat dus de echosterkte weergeeft in functie van de diepte (y-as) en de tijd (x-as) . Je herkent een doorsnede door een een hartkamer (de randen van de spierwand kan je zien als twee ruwweg concentrische cirkels). Je ziet hoe in de loop van een hartcyclus de wanden (W) van de hartkamer eerst naar mekaar toe bewegen en zich dan weer van elkaar verwijderen. W diepte W tijd

Doppler effect De waargenomen geluidsfrequentie verandert als de geluidsbron beweegt ten opzichte van de waarnemer, of als de waarnemer beweegt ten opzichte van de geluidsbron. Het filmpje hiernaast toont dat voor een voorbijsnellende racewagen.

Doppler effect transducer bloedvat θ v Δf = 2 . f. v. cosθ De waargenomen geluidsfrequentie verandert als de geluidsbron beweegt ten opzichte van de waarnemer, of als de waarnemer beweegt ten opzichte van de geluidsbron. Het filmpje hiernaast toont dat voor een voorbijsnellende racewagen. Dit fenomeen kan worden gebruikt voor het meten van bloedsnelheden. Rode bloedlichaampjes die naar de transducer toe bewegen verhogen de waargenomen frequentie; bloedlichaampjes die van de transducer weg bewegen verlagen de waargenomen frequentie. De dopplerverschuiving Δf, dit is de verandering van de frequentie, wordt weergegeven in volgende formule: Δf = 2 . f. v. cosθ Δf = 2 . f. v. cosθ Δf = dopplerverschuiving f = frequentie van de uitgezonden ultrasound v = snelheid van het bloed θ = hoek tussen ultrasound en bloedvat v.Cosθ = component van snelheid in richting van transducer

Continue doppler transmitter receiver bloedvat Bij continue doppler wordt continu ultrasound uitgezonden door een transmitter en wordt de echo continu geregistreerd door een receiver. De transducer bestaat hier dus uit twee afzonderlijke elementen. Vergelijking van het uitgezonden met het opgevangen signaal levert de dopplerverschuiving, en dus de snelheid van het bloed. Nadeel van de techniek is dat de bekomen dopplerverschuiving het hele gebied van gevoeligheid betreft (dit is het gebied waar transmitter en receiver elkaar overlappen). De diepte kan dus niet worden gekozen. Voordeel van de techniek is evenwel dat ook hoge bloedsnelheden kunnen worden gemeten. transmitter receiver bloedvat

Gepulseerde doppler Continue doppler Gepulseerde doppler Bij gepulseerde doppler  worden meerdere korte pulsen ultrasound uitgezonden door een transmitter en wordt de echo geregistreerd door dezelfde transmitter. Vergelijking van de uitgezonden met de opgevangen signalen levert weer de dopplerverschuiving, en dus de snelheid van het bloed. Voordeel van de techniek is dat de dopplerverschuiving kan worden gemeten op een vooraf gekozen diepte. Die komt immers overeen met echo’s op een bepaald tijdstip na het uitzenden van de puls. Nadeel van de techniek is dat geen hoge bloedsnelheden kunnen worden gemeten. Deze techniek kan worden gecombineerd met B-mode; dit wordt duplex genoemd. dopplersignaal Continue doppler Gepulseerde doppler Hier wordt het dopplersignaal bekomen als een continu geheel Hier wordt het dopplersignaal bekomen als afzonderlijke punten

Continue versus gepulseerde doppler Bloedstroom door een lekkende aortaklep in continue (links) en gepulseerde doppler (rechts). De snelheden in de bloedstroom worden zoals gewoonlijk weergegeven als een grafiek in functie van de tijd. Positieve snelheden zijn weg van de transducer, negatieve ernaartoe. De hoge snelheden in het lek leiden ertoe dat de snelheidsmetingen in gepulseerde doppler niet betrouwbaar zijn.

Kleurendoppler Kleurendoppler kijkt ook naar bewegende structuren, net zoals gepulseerde doppler. Hier worden per scanlijn meerdere kort op elkaar volgende puls-echo sequenties gebruikt. Bewegende structuren in het beeld veroorzaken een faseverschuiving daartussen. Het principe wordt hier geïllustreerd voor 2 puls-echo sequenties. Hieruit worden (via autocorrelatie) gemiddelde en variantie van de snelheid berekend. Die worden op het beeld weergegeven met kleuren. Deze metingen zijn minder nauwkeurig dan met gepulseerde doppler. Het voordeel van kleurendoppler is evenwel dat meteen informatie over meerdere dieptes wordt bekomen. Puls 1 bereikt de bewegende reflector. We nemen het punt waar dat gebeurt als referentie. Puls 2 startte even na puls 1, zodat hij de bewegende reflector pas bereikt als die al verder (hier: dieper) is. Die heeft ondertussen een afstand d afgelegd. d Tegen de tijd dat de echo van puls 2 opnieuw het referentiepunt heeft bereikt, is de echo van puls 1 al weer 2d (hier naar de oppervlakte) opgeschoven. Vergelijking van de twee echo’s toont de faseverschuiving en daaruit kan de dopplerverschuiving worden afgeleid.

Kleurendoppler Deze techniek wordt vaak gebruikt in de cardiologie. In het voorbeeld zie je een lekkende klep. Flow naar de ultrasoundtransducer toe is in het rood, van de transducer weg is in het blauw. Het groen toont de variantie op de snelheden.

Power doppler Power doppler is een optie bij kleurendoppler. Het dopplersignaal wordt hier anders verwerkt: ipv de fase van het signaal wordt hier de amplitude gemeten. De kleuren geven enkel aan of bloedstroming aanwezig is of niet, niet wat de snelheid is. Voordeel van deze techniek is dat ook traag bewegend bloed, of bloedvaten die evenwijdig met de transducer lopen, kunnen worden gevisualiseerd. Ook deze techniek kan worden gecombineerd met B-mode. v P A A tijd f0 frequentie v P B B tijd f0 frequentie Bloedvat A wordt meer longitudinaal getroffen, bloedvat B meer dwars. Het profiel van snelheid in functie van tijd is daardoor sterk verschillend – afgevlakt in B. Toch is de oppervlakte onder de powergrafiek dezelfde voor A en B. Zo kan power doppler toch ook in B de bloedstroming in beeld brengen. (v = snelheid, P = power)

Power doppler Power doppler van de nierdoorbloeding. De helderheid van de kleur geeft de amplitude weer van het signaal. De kleur geeft de richting aan: rood naar de transducer toe, blauw van de transducer weg.

Veiligheid In de voor diagnostiek gebruikte intensiteit van ultrasound zijn geen nevenwerkingen bekend. Ultrasound wordt dan ook als een uiterst velige techniek beschouwd. Het is de techniek bij uitstek voor foetale screening. Hogere intensiteiten en langduriger blootstelling kunnen wel aanleiding geven tot thermische effecten: opwarming van weefsels mechanische effecten: onder meer holtevorming. De niersteenverbrijzelaar maakt gebruik van ultrasound!

Voor wie meer wil http://www.sprawls.org/ppmi2/USPRO/: de basics http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=430090: een zeer begrijpelijke uiteenzetting over het dopplereffect http://folk.ntnu.no/stoylen/strainrate/Ultrasound/: een meer gevorderde en rijk geïllustreerde uiteenzetting over diverse aspecten van ultrasound http://www.medcyclopaedia.com/library/topics/volume_i.aspx: een encyclopedie over alle aspecten van beeldvorming; in deel 1 vind je talrijke trefwoorden in verband met ultrasound.