27
TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk Hans Torp NTNU, Norway

TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

TTK 4165

Signalbehandlingsteknikker i

medisinsk bildediagnostikk

Signal Processing in Medical Imaging

Faglærer: Hans TorpInstitutt for sirkulasjon og bildediagnostikk

Hans TorpNTNU, Norway

Page 2: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Introduksjon Introduksjon

• Litt ultralydfysikk og historisk tilbakeblikkLitt ultralydfysikk og historisk tilbakeblikk

• Ultralyd avbildningUltralyd avbildning

• Ultralyd Doppler for måling/avbildning av hastighetUltralyd Doppler for måling/avbildning av hastighet

• Oversikt over faget TTK4165Oversikt over faget TTK4165

Hans TorpNTNU, Norway

Page 3: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

lecture overview

• Physical principles of ultrasoundPhysical principles of ultrasound

• Ultrasound imagingUltrasound imaging

• Ultrasound Doppler and flow imagingUltrasound Doppler and flow imaging

• Overview TTK4165Overview TTK4165

Hans TorpNTNU, Norway

Page 4: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Sound field depends on source size and Sound field depends on source size and wavelengthwavelength

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 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

Page 5: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Ultrasonic M-Mode (Motion Mode)Ultrasonic M-Mode (Motion Mode)

Hans TorpNTNU, Norway

Echoes from tissue structures are received and displayed

First Cardiac trials by Edler and Hertz in 1953

Page 6: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Real-time Ultrasound B-mode Real-time Ultrasound B-mode 19741974

N. Bom & al. “Multiscan EchoCardiograph” Ultrasound in Medicine aug. 74

Hans TorpNTNU, Norway

Vis film

Page 7: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Doppler blood flow meter Pedof 1976Doppler blood flow meter Pedof 1976Blood velocity Mitral inflow

Normal relaxation

Delayed relaxation

Page 8: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

• Fourier transform - measure bloodflowFourier transform - measure bloodflow

• Gaussian Random process Gaussian Random process - ultrasound signal- ultrasound signal

• Analog computer diff. equation solverAnalog computer diff. equation solver- model of the cardiovascular system - model of the cardiovascular system

• Bernouli equationBernouli equation- from blood velocity to pressure- from blood velocity to pressure

Page 9: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Ultrasound probeUltrasound probe

Fokus

Focusing Steering and Focusing

50-200 elements 50-200 elements

Page 10: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Received Echoes Received Echoes from close objectsfrom close objects

probeelements

Objects

1

2

Page 11: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Digital Beam FormerDigital Beam Former

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

A / D134134134134134134134134134134134134134134134

#Channels:128

# samples per channel: 10.000

•Data per scanline: 2*10.000*128 = 2.5 Mb •Data per image: 2.5*100 = 250 Mb•Data per second: 40* 250 Mb = 10 Gb

Page 12: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

1986CFM 700 5 channelsMekanisk scanning

1996System Five 128 channelsElektronic scanningMekanisk scanning

2000Vivid 7 128 kanalerElektronisk scanning

Page 13: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Real-time 2D B-modeReal-time 2D B-modeWall motion assessmentWall motion assessment

))) )))

Hans TorpNTNU, Norway

Page 14: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Ultrasound ProbesUltrasound Probes

Linear arrayHigh resolutionLimited width

Curve-linear arrayLarge image widthLarge near field

Phased arraySmall footprint90 deg. sector format

Hans TorpNTNU, Norway

Page 15: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Ultrasound imaging can be applied Ultrasound imaging can be applied to almost all human organsto almost all human organs

Liver Fetus 3 ½ mnd

Kidney

Twin fetus

Ultrasound imaging:Measure dimensions, areas, volumesStudy anatomical detailsAssessment of muscle contractionHeart-valve function

Heart, 4 chamber view

Page 16: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Image resolutionImage resolution

Daperture

F:

Foc

al d

epth

F-number f# = F/D

Wavelength: L

”Dot-size”: f# L

Camera exampleL = 0.9 e-3 mmf# = 5.6Resolution: 0.005 mm ~ 50000 dpiInfrared camera gives lower resolution

Ultrasound exampleL = 0.5 mm (3 MHz)f# = 8cm/2cm= 4 Resolution: 2 mm ~ 125 dpi

Larger probe -> improved resolutionHigher frequency -> improved resolution

Probe-diameterD

F:

Foc

al d

epth

L

Page 17: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

•Computer-simulated ultrasound image•Higher frequency -> better resolution

Embryo 7 weeks. Ca 13 mm length

Page 18: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

3D Transvaginal ultrasound3D Transvaginal ultrasoundThe Lancet:

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

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

Page 19: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Limb development in Norway 20Limb development in Norway 20thth century century

12 weeks 18 weeks

Page 20: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Color Doppler velocity imagingColor Doppler velocity imaging

PW Doppler: Velocity from one point

Color flow imaging:Velocities in the whole image

Color M-mode: Velocities along a line

Page 21: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Tissue Velocity ImagingTissue Velocity Imaging

Moving upwardMoving downward

SystoleEarlyrelax.

Atrialsystole

Curved M-mode

Hans TorpNTNU, Norway

Page 22: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Strain rateStrain rate

Lvv

SR 12

Lv1v2

Tissue velocity Strain rate

SR

Adapted from J-U. Voigt and A. Heimdal

ShorteningNo changeElongation

Wall motion quantification

SystoleEarlyrelax.

Atrialsystole

Curved M-mode

Page 23: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Real-time 3D imagingReal-time 3D imaging2D matrix array2D matrix array

• 32-192 elements in a 1D 32-192 elements in a 1D arrayarray

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

• 1000 - 10000 elements1000 - 10000 elements

• CableCable

• ElectronicsElectronics

• BeamformerBeamformer

50 x 1elements

50 x 50=2500elements

Page 24: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

Sanntid 3DSanntid 3D

Azimuth

Elevation

Page 25: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

4D Volume Imaging4D Volume Imaging

• No ECG gatingNo ECG gating

• Volume rendering / orthogonal Volume rendering / orthogonal slicingslicing

• Volume size: Volume size: ~20 x 80º / ~35 x 45º~20 x 80º / ~35 x 45º

• Volume rate: 17-25Volume rate: 17-25

Standard setup Increased elevation width

Page 26: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

4D Color Imaging (ECG Gated)4D Color Imaging (ECG Gated)

• Gated from 7 heart Gated from 7 heart beatsbeats

• High frame rates High frame rates (17-35 frames / (17-35 frames / second)second)

• High Color sensitivityHigh Color sensitivity

• High Color resolutionHigh Color resolution

Page 27: TTK 4165 Signalbehandlingsteknikker i medisinsk bildediagnostikk Signal Processing in Medical Imaging Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og

TTK4165 OverviewTTK4165 Overview

• Pulse Echo principlePulse Echo principle

• Ultrasound beamformingUltrasound beamforming

• General imaging system General imaging system

• Ultrasound imaging system Ultrasound imaging system

• Doppler – blood velocity measurement and imagingDoppler – blood velocity measurement and imaging

• Patient safety issuesPatient safety issues

• Ultrasound contrast imagingUltrasound contrast imaging

• 3D imaging3D imaging