Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk ... - NTNU

Medisin for ikkemedisinere

Ultralyd i medisin

Hans TorpInstitutt for sirkulasjon og medisinsk billeddiagnostikk

NTNU

Hans TorpNTNU, Norway

Ultralyd i medisinUltralyd i medisin

•• Ingen skade/ubehag for pasientenIngen skade/ubehag for pasienten•• Transportabelt utstyr, som kan Transportabelt utstyr, som kan

brukes under varierende forholdbrukes under varierende forhold•• Sanntid avbildningSanntid avbildning•• Måling av hastighet i blod og Måling av hastighet i blod og

muskelvevmuskelvev

Diagnostisk ultralyd har en rekke fordeler

UltralydUltralyd i i medisinmedisin

•• Litt ultralydfysikkLitt ultralydfysikk

•• Ultralyd avbildning Ultralyd avbildning –– fra grums til sylskarpe bilderfra grums til sylskarpe bilder

•• Er ultralyd skadeligEr ultralyd skadelig forfor pasientenpasienten? ?

•• Ultralyd Ultralyd Doppler Doppler -- fartskontroll fartskontroll i i blodåreneblodårene

•• Nye Nye teknikker teknikker under under utviklingutvikling


Hva er ultralydHva er ultralyd?? ••LydbølgerLydbølger––Forplantningshastighet Forplantningshastighet cc––BølgelengdeBølgelengde LL––FrekvensFrekvens ff––SammenhengSammenheng: L = c / f: L = c / f

••HørbarHørbar lyd lyd –– f = 20 f = 20 -- 20.000 Hz20.000 Hz

••UltralydUltralyd–– f > 20.000 Hzf > 20.000 Hz

••Diagnostisk ultralydDiagnostisk ultralyd––f > 2.000.000 Hzf > 2.000.000 Hz

L c f Mannsstemme: ~ 1 - 2 meter 330 m/s (luft) 165 - 330 HzDamestemme: ~ 0.5 - 1 meter 330 m/s (luft) 330 - 660 Hz

Medisinsk Ultralyd: 0.1 - 1 mm 1540 m/s (bløtt vev) 1.5 - 15 MHz

Utsendt lydfelt påvirkes avUtsendt lydfelt påvirkes avlydkildens lydkildens størrelse og bølgelengdenstørrelse og bølgelengden

L c f Mannsstemme: ~ 1 - 2 meter 330 m/s (luft) 165 - 330 HzDamestemme: ~ 0.5 - 1 meter 330 m/s (luft) 330 - 660 Hz

Medisinsk Ultralyd: 0.1 - 1 mm 1540 m/s (bløtt vev) 1.5 - 15 MHz10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

50

100

150

200

250

300

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

50

100

150

200

250

300 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

EkkoEkko

Hoi !

Hoi !Hoi !

Ekko er reflekterte lydbølgerEkko er reflekterte lydbølger

Hoi !

Vi kan regne ut avstanden til fjellet ved å måle tidsforsinkelsen

1001, 1002,….

UltrasonicUltrasonic MM--Mode Mode (Motion (Motion ModeMode))


Echoes from tissue structures are received and displayed

First Cardiac trials by Edler and Hertz in 1953

Ultrasonic wave propagation

ProbeProbe•• 3232--128 128 elementer elementer

(bare (bare noen få vist noen få vist her)her)•• StråleformingStråleforming i i

hovedplanethovedplanet for for styringstyringogog fokusering av strålenfokusering av strålen

•• AkustiskAkustisk linse linse for for fokuseringfokusering i den i den andreandredimensjonendimensjonen

ElektroniskElektronisk strålefokuseringstrålefokusering

Fokus

Fokus

Fokusering Styring og fokusering

Åge Grønningsæter

DigitalDigital BeamBeam FormerFormer

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

#Channels:100

# digits per echo signal: 30.000

•Data per scanline: 3 M bytes •Data per image: 150 M bytes•Data per second: 1200 M bytes

RealReal--time 2D Btime 2D B--modemodeWall Wall motion motion assessment

))) )))

assessment

Ultrasound ProbesUltrasound Probes

Linear arrayHigh resolutionLimited width

Curve-linear arrayLarge image widthLarge near field

Phased arraySmall footprint90 deg. sector format

Hans TorpNTNU, Norwa

LeverLever

NyreNyre

Ultralyd avbildning kan gjøres overalt- untatt der det er bein eller luft mellom organet og proben- for eksempel hjernen

Hjernen18 mndr gammelt foster


Ultrasound guided Ultrasound guided neuro neuro surgerysurgery


Bioeffekter av ultralydBioeffekter av ultralyd•• Termisk effekt: Termisk effekt:

–– Oppvarming av vevOppvarming av vev–– Fysioterapi: Varme opp muskler/senerFysioterapi: Varme opp muskler/sener–– Termisk indeks Termisk indeks TI = TI = antallantall grader grader oppvarmingoppvarming. . AnbefaltAnbefalt TI < 3TI < 3

•• Mekanisk effekt: Mekanisk effekt: –– Sterke vibrasjonar kan gi kavitasjon og vevsskadeSterke vibrasjonar kan gi kavitasjon og vevsskade–– Medisin: Knuse nyreMedisin: Knuse nyre--/ gallestein/ gallestein–– Mekanisk indeks MI. Anbefalt MI < 1.9Mekanisk indeks MI. Anbefalt MI < 1.9

•• Innenfor anbefalte grenser er det ikke påvist Innenfor anbefalte grenser er det ikke påvist at diagnostisk ultralyd er skadeligat diagnostisk ultralyd er skadelig


Hvorfor øke akustisk effektHvorfor øke akustisk effekt i i diagnostiskdiagnostisk ultralydultralyd??

-- Bedret følsomhet Bedret følsomhet for Doppler for Doppler blodstrømsmålingblodstrømsmåling

-- Generering av sjokkbølgerGenerering av sjokkbølger, , som kan gi bedre som kan gi bedre bildekvalitet bildekvalitet ((harmonisk avbildningharmonisk avbildning))


Inhomogen kroppsvegg Inhomogen kroppsvegg defokuserer lydstrålendefokuserer lydstrålen

Cardiac ultrasound imagingCardiac ultrasound imagingAcoustical noise due to- reverberations - aberrations

NonNon--linearlinear acousticsacoustics ininUltrasound ImagingUltrasound Imaging

Transducer

Nonlinear propagation

nonlinear scattering

object

Body wallHans TorpNTNU, Norway

Nonlinear propagationNonlinear propagation

0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5

x 1 0- 6

-0 . 0 1 5

-0 . 0 1

-0 . 0 0 5

0

0 . 0 0 5

0 . 0 1

0 . 0 1 5

0 . 0 2

0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5

x 1 0- 6

-0 . 0 4

-0 . 0 2

0

0 . 0 2

0 . 0 4

0 . 0 6

0 . 0 8

0 . 1

0 . 1 2

Pulse after 6cm propagation

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

x 1 06

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

Transmitted pulse

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

x 1 06

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

Fundamental andFundamental and second second harmonicharmonic signal separated by signal separated by

filterfilter

0 1 2 3 4 5x 106

-20

0

20

40

60

80

20 40 60 80 100

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Fundamental Signal from septumNoise from LV cavity

2. harmonic-500 0 5000

50

100

150

200

250

-10 0 100

50

100

150

200

250


DBlenderåpning

F: F

okal

dybd

e

Oppløsning (skarphet)Oppløsning (skarphet) Probe-diameterD

F: F

okal

dybd

e

L

F-tall f# = F/D

Bølgelengde: L

Oppløsning: f# ⋅ L

Eksempel Foto:L = 0.9 e-3 mmf# = 5.6Oppløsning: 0.005 mm ~ 50000 dpi

Eksempel Ultralyd:L = 0.5 mm (3 MHz)f# = 8cm/2cm= 4 Oppløsning: 2 mm ~ 125 dpi

Større probe -> Bedre oppløsningHøyere frekvens -> Bedre oppløsning

•Simulert ultralydbilde•Høyere frekvens gir bedre oppløsning

Embryo 7 uker. Ca 13 mm langt

3D 3D Transvaginal ultrasoundTransvaginal ultrasoundThe Lancet:

In-vivo three-dimensional ultrasound reconstructionsin the embryonic and early fetal period

Harm-Gerd Blaas 1, Sturla H. Eik-Nes 1,Sevald Berg 2, Hans Torp 2;

http://www.thelancet.com/newlancet/reg/issues/vol352no9135/early1182.html









3D 3D Fetus Fetus TransTrans--adomenadomenSurface renderingSurface rendering

Ultrasound Contrast Agentto visualize capillary bloodflowin the myocardium

• Encapsulated gas bubbles • Typical diameter 2-5um

Intra-veneous injection

• Adaped Imaging Techniquebased on harmonic distortion of the ultrasonic wave

OptisonReleased in US, England, Germany

Ultralyd DopplerUltralyd Doppler

Ultralyd probe

k

b

kj

Lyden forandrer frekvens ved Lyden forandrer frekvens ved bevegelsebevegelse

o o

Bilens hastighet: 70 km/time ~ 6% av lyd-hastighet

Ét halvtone-trinn i 12-toneskalaen: 2 = 5.94 %

Endring i frekvens (turtall): 6% + 6% = 12 %

1/12


Ultralyd Doppler

Dopplerskift fd = fo v/cDopplerskift fd = fo v/c

+ fo v/c= 2 fo v/c

Ultralyd Doppler

Ultralyd probe

CW/PW Doppler blood flow meterCW/PW Doppler blood flow meter

Delayed relaxation

time

Velocity

Blood velocity Mitral inflow

Normal relaxation

PEDOF developed in Trondheim 1976


Color Doppler velocity imagingColor Doppler velocity imaging

PW Doppler: Velocity from one point

Color flow imaging:Velocities in the whole imag

Color M-mode: Velocities along a lineHans TorpNTNU, Norway

Dynamisk Dynamisk 3D 3D avbildning av hjertetavbildning av hjertet•• MitralMitral valve with lupus (vegetation) and insufficiencyvalve with lupus (vegetation) and insufficiency

Sett fra venstre ventrikkel Sett fra sidenHans TorpNTNU, Norway

RealReal--time 3D imagingtime 3D imaging2D matrix array2D matrix array

50 x 1elements

•• 3232--192 elements in a 1D 192 elements in a 1D arrayarray

•• 32*32 ... 96*96 elements 32*32 ... 96*96 elements in a 2D arrayin a 2D array

•• 1000 1000 -- 10000 elements10000 elements•• CableCable•• ElectronicsElectronics•• BeamformerBeamformer 50 x 50

=2500elements

Tissue movement:Tissue movement:

Tissue Velocity ImagingTissue Velocity Imaging

Moving upwardMoving downward

SystoleEarlyrelax.

Atrialsystole

Curved M-mode


Wall motion quantification

Strain rateStrain rateTissue velocity Strain rate

SR

ShorteningNo changeElongation

SystoleEarlyrelax.

Atrialsystole

Curved M-mode

L v1

v2

LvvSR 12 −=

Adapted from J-U. Voigt and A. Heimdal

Doppler Myocardial ImagingDoppler Myocardial Imaging

Normal Normal subjectsubject

Acute Acute inferior MIinferior MI

Chronic Chronic inferior MIinferior MI

GS

Strain Rate clinical potential (2):Strain Rate clinical potential (2):Detect hard objectsDetect hard objects

Normal breastNormal breast Malignant tumorMalignant tumor

Green: SR = 0 (Not compressed)Red SR > 0 Blue SR <0

Work Work in in progressprogress

Velocity

Strain Rate


High framerate/time resolutionSimultaneous velocity and strainTissue Doppler Sound

Time

NyeNye metoder metoder for for blodstrømsblodstrøms--avbildning avbildning

Arteria bracialisKonvensjonellfarge-Doppler

Arteria bracialisNy metode

Carotis communisNy metode


OffOff--pump bypass surgery(beating heart) pump bypass surgery(beating heart)

Coronary artery

occlusion

bypass

Quality control

Vis film!

Rune HaaverstadStein SamstadHans Torp

Ultralyd Ultralyd i i svangerskapetsvangerskapetEtiske aspekter Etiske aspekter

ved tidlig oppdagelse av ved tidlig oppdagelse av abnormaliteterabnormaliteter


Documents

Hans Torp Institutt for sirkulasjon og medisinsk ... - NTNU