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Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und

Sonographie

Sonographie

PD Dr. Frank Zöllner

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 221 I Datum

Sonografie

� Anwendung von Sonongrafie

� Geschichte

� Physikalische Grundlagen des Schalls

� Bildgebung & Darstellungsmethoden

� Doppler-Sonografie

� Anwendungen in der Medizin

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 222 I Datum

Anwendungen von Sonografie

Sonografie, auch Echografie oder Ultraschall genannt,

ist die Anwendung von Ultraschall als bildgebendes

Verfahren

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 223 I Datum

Anwendung von Sonografie (2)

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 224 I Datum

Geschichte der Sonografie

� 1880 Entdeckung piezoelektrischer Effekt, Gebr. Curie� Um 1900 erste Versuche zum Echolot (A. Brehm, M

Richardson (Patent zur Ortung von Unterwasserhindernissen))

� Anfänge im militärischen Bereich� Paul Langevin: Ortung von U-Booten� Sonar

� 1942 erste medizinische Anwendung durch Karl Dussik(Neurologe)� Messung des Seitenventrikels im Großhirn� „Hyperfonografie“

� Danach Weiterentwicklung in versch. Fachgebieten� 1959 erste Anwendung des Doppler-Prinzips� 1980 farbkodierte Dopplerdarstellung

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 225 I Datum

Physikalische Grundlagen - Ultraschall

� Mechanische Welle (Dichte – oder Druckwelle)

� Ausbreitung an Materie gebunden

� Welleneigenschaften abhängig vom Material

� i.A. Transversal – und Longitudinale Welle

� in Gasen und Flüssigkeiten nur Longitudinalwelle

� biologisches Gewebe wird als zähe Flüssigkeit angenommen

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 226 I Datum

Physikalische Grundlagen - Ultraschall

Typischer Frequenzraum : 20 Hz – 1 GHz� Jenseits des menschl.

Hörens� Diagnostische angewandte

Frequenzen: 2- 20 MHz

Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 227 I Datum

Physikalische Grundlagen - Ultraschall

Schallgeschwindigkeit� Kompressibilität� Dichte der Materie

Wellenlänge US – Welle� Abhängig von der

Schallgeschwindingkeit� Abhängig von der Frequenz

Schallgeschwindigkeit ist nicht konstantwie bei Röntgenstrahlen!

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 228 I Datum

Schallgeschwindigkeiten

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 229 I Datum

Physikalische Grundlagen - Wechselwirkungen

� Wechselwirkungen zwischen Materie und Ultraschallwelle� Folgen im wesentlichen den Gesetzen der Optik

Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 230 I Datum

Wechselwirkungen - Reflexion

� Einfallende US – Wellen werden

� Reflektiert

� Transmittiert

� Reflektiertes Signal wird für die Bildgebung genutzt

� Intensität der einfallenden Welle teilt sich auf

Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998

Tissue 1

Tissue 2

Interface

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Wechselwirkung – Reflexion (2)

� Impedanz

� „Widerstand“ einer Materie bei der Durchdringung

� Je größer der Unterschied der Impedanz zweier Medien, desto mehr Reflexion

� Reflexionskoeffizienten

� Sollte groß sein an der Grenzfläche des Organs

� Gering auf dem Weg dorthin

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 232 I Datum

Impedanz - Beispiele

Material ρ in g/cm3 c in m/s Z in g/cm2s

Air 0.0013 331 43

Water (20 °C) 0.9982 1492 1.49*105

Fat 0.97 1470 1.42*105

Muscle 1.04 1580 1.63*105

Brain 1.02 1530 1.56*105

Bones 1.7 4080 6.12*105

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 233 I Datum

Reflektionskoefficient R

� Prozent der Intensität die

reflektiert wird

� für US Bildgebung

� sollte groß sein an der Grenzfläche des Organs

� gering auf dem Weg dorthin

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 234 I Datum

Wechselwirkung – Transmission

� Analog zur Reflexion

� Transmissionskoeffizient T

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 235 I Datum

Beispiel

� sound wave travels from soft tissue to muscle tissue, what is R and T ?

Material ρ in g/cm3 c in m/s Z in g/cm2s

Air 0.0013 331 43

Water (20 °C) 0.9982 1492 1.49*105

Fat 0.97 1470 1.42*105

Muscle 1.04 1580 1.63*105

Brain 1.02 1530 1.56*105

Bones 1.7 4080 6.12*105

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 236 I Datum

Wechselwirkungen - Interferenz

� Überlagerung von Wellen

� Verstärkung, wenn Phasenverschiebung um grade Vielfaches von λ/2

� Auslöschung, wenn Phasenverschiebung ungerades Vielfaches von λ/2

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 237 I Datum

Wechselwirkung - Brechung

� Schräg auftreffende Strahlen werden gebrochen und reflektiert

� Übergang für c1 < c2:vom Lot weg gebrochen

� Übergang c1 > c2:zum Lot hin gebrochen

� An gekrümmten Oberflächen Fokussierung oder Defokussierung

Brechungsindex

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 238 I Datum

Wechselwirkung - Streuung

Raue, nicht senkrechte Grenzflächen erzeugen StreuungReduzierung der ReflexionAber: z.T. kann Echo registriert werden Streuung erzeugt charakteristische Signale an den Grenzflächen�Unterscheidung von Gewebetypen möglich

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 239 I Datum

Reflexion, Brechung und Streuung

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 240 I Datum

Wechselwirkungen - Absorption

� Dämpfung

� abhängig von:

� Streuung

� Innere Reibung

� Anregung innere Freiheitsgrade (Molekülrotation, -schwingung)

� Energie der Schallwelle wird in Wärme umgesetzt

� nimmt exponentiell mit der Entfernung vom Schallkopf ab (längs der Ausbreitungsrichtung)

Wichtig für die gewünschte Eindringtiefe!

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 241 I Datum

Wechselwirkung – Absorption (2)

Dämpfung (p) des Schalls größer� je länger der zurückgelegte

Weg (z)� je größer die Materialkonstante

(α)� je höher die Frequenz (f)

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 242 I Datum

Wechselwirkungen – Absorption (3)

� µ abhängig von Frequenz und Gewebe

� linearer Zusammenhang für biologisches Gewebe

� ca. 1 dB/ MHz cm (Leber, Niere, Gehirn)

� 4 – 10 dB/ MHz cm (Knochen kompakt)

� 30 – 90 dB/ MHz cm

� Schallabsorption legt im Ultraschall Messfrequenz fest

� Kurze Wellenlängen -> gute Ortsauflösung

� Große Wellenlängen -> hohe Eindringtiefe

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 243 I Datum

Wechselwirkung - Beugung

� Begrenzung von Strahlenbündeln führt zur Beugung

� bei kreisförmigen Durchmesser: Aufweitung

� in der Ultraschalldiagnostik, schmale Schallbündel

� quer zur Ausbreitungsrichtung, rascher Intensitätsverlust

� wenig Intensitätsverlust und Aufweitung in Längsrichtung

� Einsatz von akustischen Linsen

� Fokus f im Abstand von

� Trennung Nah- und Fernfeld

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 244 I Datum

SchallfeldeigenschaftenQuelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin

Schallfeld als Überlagerung von Kugelwellen nach dem Huygenschen Prinzip

Längenskala:

D Durchmesser Wandler

λ Wellenlänge US

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 245 I Datum

Schallfeld eines runden Wandlers

Schallfeld eines ebenen runden Wandlers, f=4MHz, D=10mm, c=1500 m/s (Wasser)

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 246 I Datum

Schallfeldcharakteristik

� Die Schallfeldcharakteristik beschreibt, welche Form der Ultraschall hat

� Wichtig dabei: Fokussierung

� Je kleiner der Strahl, desto besser die Detailerkennbarkeit

� Fokussierung über „aktustische“ Linse

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 247 I Datum

Auflösung lateral

für 1<N<2 gilt: d = D/3

Längenskala:

D Durchmesser Wandler

λ Wellenlänge US

Quelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 248 I Datum

Auflösung axial

Quelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 249 I Datum

Eindringtiefe vs. Ortsauflösung

im Muskel

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 250 I Datum

Erzeugung von Ultaschallwellen

Ultraschallkopf oder SondeAusnutzung des piezoelektrischen EffektsSender und Empfänger in einem Bauteil

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 251 I Datum

Piezoelektrischer Effekt

� Kristalle schwingen mechanisch, wenn elektrische Wechselspannung anliegt

� Erzeugung von Schwingungen / Schallwellen

� Mechanische Spannung erzeugt eine elektrische Polarisation

� Erzeugung von elektrischer Spannung

� Durch Vibration des Materials, Erzeugung von Wechselspannung

EmpfangenSenden

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 252 I Datum

Piezoelektrischer Effekt (2)

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 254 I Datum

Aufbau eines Schallwandlers

Quelle: Einführung in die Medizinphysik, Dieter Suter, TU Dortmund

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 255 I Datum

Bildgebung

�Kurze, gerichtete Schallwellen

�Echogenität(unterschiedliche Reflexion)

�Laufzeit der unterschiedlichen Schallwellen

�Rekonstruktion der Strukturen

Geringe Echogenität = Schwarze Bildpunkte

Hohe Echogenität = weiße Bildpunkte

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 256 I Datum

Bildgebung – Echo-Implus-Verfahren

Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 257 I Datum

Darstellungsmethoden

A-Mode� Amplitudenmodulation� Echo wird als Diagramm

dargestellt� X-Achse: Eindringtiefe� Y-Achse: Echostärke� Heute nahezu keine

Bedeutung mehr

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 258 I Datum

Darstellungsmethoden

B-Mode� Brightness modulation� Echointensität als

Intensitätssignal des Bildes� bei bewegtem Wandler werden

Echozeilen ortsrichtig angeordnet

M-Mode� (time) motion� Darstellung der Bewegung des

Gewebes� ortsfester Wandler

Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 259 I Datum

Darstellungsmethoden

Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 260 I Datum

Scanverfahren

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 261 I Datum

Ultraschallkopf

� Unterscheiden sich durch die Anordnung der Piezoelemente� Unterschiedliches Schallfeld

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 262 I Datum

Elektronische Scanner – Linear Array

� Reihenförmige Anordnung von Einzelwandler

� Gruppe von n Elementen werden zur Aufnahme verwendet

� Hinzu- und Abschalten eines Elements am Rand

� Array wird um Rastermaß aEverschoben

� Bild um Zeilenmaß aZverschoben

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 263 I Datum

Elektronische Scanner – Convex Array

� gebogene Anordnung von Einzelwandler

� Hinzu- und Abschalten eines Elements am Rand

� meist größere Gruppe

� daher Randstand von ½ Gruppenbreite

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 264 I Datum

Elektronische Scanner – Phased Array

� sektorförmige Abtastung

� kleine Anzahl von Einzelwandler

� alle Elemente sind gleichzeitig aktiv

� elektronischer Schwenk des Sende – und Empfangsfeld

� zeitlich versetzte Anregung der Arrayelemente

� geschwenkte Wellenfront

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 265 I Datum

Elektronische Scanner – Typische Werte

Linear Array ConvexArray

PhasedArray

Anzahl Elemente60 - 196 > 100 48 - 128

Gruppenbreite8 - 128 16 - 96 -

Frequenz3,5 – 7,5 MHz 2 – 7 MHz

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 266 I Datum

Fokussierung

� Krümmung oder akustische Linse bei Einzelwandlern

� Arrays: elektronische Verzögerung

� unterschiedliche Laufzeiten des Schalls im Gewebe

� Elemente des Arrays nehmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten Signal auf

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 267 I Datum

Darstellungsmethoden

Dopplersonografie� Ausnutzung des

Dopplereffekts

DopplereffektVeränderung der wahrgenommenen oder gemessenen Frequenzvon Wellen jeder Art, während sich die Quelle und der Beobachter einander nähern oder voneinander entfernen, sich also relativ zueinander bewegen.

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 268 I Datum

Doppler-Effekt

Christan Doppler (1803-1853)� Sagte Doppler Effekt vorraus („Über das

farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels“)

Christoph Buys-Ballot (1817-1890)� Beweis des Doppler-Effekts für Schall

mittels Trompeter

Sir William Huggins (1824-1910)� Sternenbewegung mittels Doppler-

Effekt

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 269 I Datum

Darstellungsmethoden – US-Doppler

Anwedungen� Vaskulärmedizin� Herztöne von

ungeborenen Kinder� Gewebebewegungen

Blutflußmessung� Detektion des Echos der

Erythrozyten� Durch Dopplereffekt

Verschiebung der Frequenz

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 270 I Datum

Darstellungsmethoden – US Doppler

Continuous Wave Doppler (CW-Doppler)� Sender und ein Empfänger im

Schallkopf gleichzeitig und kontinuierlich

� Spektrum der Dopplerfrequenzen bzw. Geschwindigkeiten und auch die Richtung bestimmen

Pulsed Wave Doppler (PW-Doppler)� Ortsselektive Geschwind-

igkeitsmessung im konventionellen (B-Mode-) Sonogramm

� Gate, definiert Meßbereich

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 271 I Datum

Darstellungsmethoden – US Doppler

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 272 I Datum

Darstellungsmethoden - Farbdoppler

Mitralklappeninsuffizienz

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 273 I Datum

Darstellungsmethoden - Farbdoppler

Karotisstenose Doppler des Herzgewebes

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 274 I Datum

3D Ultraschall

� Aufnahme vieler B-modeBilder

� Ultraschallwellen werden dazu in verschiedenen Winkeln gesendet

� Position des Ultraschallwandlers wird registriert

� Computer rekonstruiert 3D Volumen ähnlich zum CT

� Alternativ 3D Ultraschallköpfe

Janet Cochrane Miller, MGH, USA

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PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 275 I Datum

Kontrastmittelverstärkter Ultraschall (CEUS)

� Ultraschallkontrastmittel� spezielle

Reflexionseigenschaften� meist gasgefüllte

Microbubbles� verändert die Echogenität

� ungezieltes CEUS� allgem. Kontrastmittel

� gezieltes CEUS� Microbubbles binden an

ZielstrukturenAngelelli et al., Computers & Graphics 2011

PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 276 I Datum

High-intensity focused ultrasound (HIFU)

� Hypertermieverfahren� nutzt Wärme zur Therapie

� Ultraschallwellen werden mit hoher Intensität auf ein Gewebe fokussiert

� hohe lokale Absorption erzeugt Wärme

� u.a. kombiniert mit MRT oder klassischer Sonographie für die Diagnostik und Planung des Eingriffs