ACHTERGRONDEN BIJ ECHODIAGNOSTIEK

ACHTERGRONDEN BIJ ECHODIAGNOSTIEK Herman T. Massink

In dit artikel wordt ingegaan op de basale achtergronden van ultrageluid en echografietechniek, zonder uitputtend te zijn. Een aantal aspecten komen aan de orde, zoals de verschillen, overeenkomsten tussen geluid en ultrageluid, drukgolven, golflengte, frequentie, enz… Verder kijken we naar reflectie, akoestische impedantie en het piezo elektrische effect. De basissamenstelling van een scanner komt aan de orde, alsmede begrippen als echoversterking, frequentie en beeldkwaliteit, dynamic range, gamma correctie en zend/ontvangstfocus. Het geheel wordt afgerond met een verklarend overzicht van ultrasound begrippen.

Geluid kan verschillende toonhoogtes of wel frequenties hebben, het voor mensen hoorbare geluid ligt in het frequentiebereik van 20 to 20.000 Hz. Dat wil zeggen 20 tot 20.000 trillingen per seconde. Onder dit gebied ligt onhoorbaar geluid, het zogenaamde infrageluid, dit kunnen we niet horen. We kunnen het wel voelen als de intensiteit voldoende hoog is. Boven de 20.000 Hz spreken we van Ultrageluid. Voor medisch diagnostische toepassingen wordt gebruik gemaakt van ultrageluidfrequenties tussen 1 en 15 MHz. Dus geluid met een frequentie tussen de 1 en 15 miljoen trillingen per seconde.

GELUID

DRUKGOLF LONGITUDINALE DRUK GOLF

HOGE DRUK LAGE DRUK

DE DRUKGOLF (GELUID) BRENGT DE LUCHTMOLECULEN IN TRILLING DEZE TRILLING PLANT ZICH VOORT EN BEREIKT HET TROMMELVLIES DE HERSENEN ZETTEN DE TRILLING OM IN GELUID

GOLFLENGTE T = PERIODETIJD

VOORTPLANTINGSRICHTING

FREQUENTIE = F = 1 / T

Dus hoe hoger de Frequentie hoe korter de Golflengte Juni 2006

Nr. 2

Juni 2006

In beginsel is er geen verschil tussen geluid en ultrageluid. Geluid is een drukgolf welke zich via de lucht voorplant door de luchtmoleculen in trilling te brengen. Als deze drukgolf het trommelvlies bereikt wordt de trilling omgezet in elektrische signaaltjes welke naar de hersenen worden gestuurd, die ervoor zorgen dat het geluid hoorbaar wordt.

ULTRAGELUID ULTRAGELUID IS GELUID WAARVAN DE TOONHOOGTE (FREQUENTIE) BOVEN DE MENSELIJKE GEHOORGRENS LIGT

Nr. 4

Dat brengt ons bij de drukgolf. Geluid is een longitudinale golf, waarbij de voortplantingsrichting gelijk is aan het golfpatroon van hoge en lagedruk zones. De afstand tussen het begin van twee zones van lage druk wordt de golflengte genoemd. De tijd tussen 2 compressies wordt de periodetijd genoemd, deze tijd is afhankelijk van de voortplantingssnelheid van het geluid in de stof. De frequentie is het aantal periodes welke in één seconde optreden en wordt uitgedrukt in Herz. De frequentie is dus omgekeerd evenredig aan de periodetijd. Het zal dan ook duidelijk zijn dat hoe hoger de frequentie is, des te korter de periodetijd en des te korter de golflengte.

FREQUENTIE OF TOONHOOGTE ULTRAGELUID VANAF 20.000 Hz

20.000 Hz GELUID 20 TOT 20.000 Hz HOORBAAR 20 Hz INFRAGELUID LAGER DAN 20 Hz 0 Hz Juni 2006

Nr. 3

"Echografie, onze specialisatie, uw inspiratie" Sinds 1998 toonaangevend in Musculoskeletal Ultrasound

1

© DYNAMIC Med & Vet Prod’s BV

ECHO

REFLECTIE EEN PAAR VOORBEELDEN

Lucht Water Nier Vet Bot

ECHO IS EEN KWESTIE

SNELHEID

DICHTHEID

IMPEDANTIE

c (m/s) 330 1500 1560 1450 4000

? (Kg/m3) 1.2 1000 1040 950 1910

Z (106Kg/m2s) 0.0004 1.5 1.62 1.38 7.80

VAN REFLECTIE Juni 2006

Nr. 5

Echo´s horen we in de bergen, maar ook bij de wereldberoemde echoputten. U hoort en ziet het hier: “Echo is een zaak van reflectie.” Het, in dit geval, hoorbare geluid wordt gedeeltelijk door de bergwand gereflecteerd en bereikt ons oor als echo. De vraag is nu, hoeveel van het geluid wordt er gereflecteerd en hoeveel gaat verder de berg in ……..

Juni 2006

Nr. 7

Bovenstaand een paar voorbeelden van :

REFLECTIE DE REFLECTIE HANGT AF VAN HET VERSCHIL IN AKOETSTISCHE IMPEDANTIE TUSSEN 2 MEDIA Akoestische Impedantie Z=ρxC

ρ= SOORTELIJKE MASSA VAN HET MEDIUM C = GELUIDSNELHEID IN HET MEDIUM

•

Geluidsnelheid

•

Dichtheid

•

Akoestische Impedantie

De voortplantingssnelheid in lucht is laag met 330 m/ sec, tevens heeft lucht een lage dichtheid en lage impedantie. Daarom gebruiken we bij echoapparatuur ook altijd een gel om een goede koppeling tussen de probe en de huid te verkrijgen, anders zou daar al bijna 100% reflectie ontstaan zodat geen geluid het lichaam kan binnen dringen.

Reflectiecoëfficient ( Z1 – Z2 )2 R = -------------( Z1 + Z2 )2

REFLECTIE

MET ANDERE WOORDEN HOE GROTER HET VERSCHIL IN AKOESTISCHE IMPEDANTIE HOE GROTER DE REFLECTIE.

ZSPIER = 1.70

Juni 2006

Nr. 6

De reflectie of weerkaatsing hangt af van het verschil in akoestische impedantie (weerstand) tussen de twee media. In bovenstaand voorbeeld is dat het verschil in dichtheid van lucht ten opzichte van de berg. De akoestische impedantie hangt af van de soortelijke massa en de geluidssnelheid in het betreffende medium. Terwijl de geluidssnelheid mede bepaald wordt door de elasticiteit van het medium. De reflectiecoëfficiënt wordt bepaald door de hier aangegeven formule. Het blijkt uit deze formule dat hoe groter het verschil in akoestische impedantie, des te groter is de reflectie zodat er weinig geluid over blijft om verder door te dringen in de volgende laag. Bij een kleiner verschil in akoestische impedantie zal een groter deel verder doordringen in het medium.

ZLUCHT = 0.0004

100 .1 99.9 ZVET = 1.38 VEEL REFLECTIE

ZNIER = 1.62

100 93.6 6.4

MINDER REFLECTIE

Juni 2006

Nr. 8

Wat zijn nu de consequenties in het menselijk lichaam met betrekking tot reflectie, ofwel het ontstaan van echo´s en de grootte daarvan. Overgang spierweefsel en lucht. Bijna alle energie wordt gereflecteerd en slechts 0.1% dringt verder het lichaam in. Bij de overgang vet / nier ziet het er duidelijk anders uit, slechts 6.4% wordt gereflecteerd, terwijl de rest 93.6% verder doordringt in het lichaam. Alles met elkaar ontstaan er grote verschillen in de grootte van de echo´s in het menselijk lichaam.


2


REFLECTIE IN DETAIL

REFLECTIE IN DETAIL

Overgang Refractie is afhankelijk van het verschil in Geluidsnelheid in beide mediums

Geluidsbron

Sin i / Sin θ = c1 / c2 Hoek van Inval is Hoek van Uitval Refractiehoek θ Doorgezonden geluid c1

Een beetje meer in detail naar reflecties kijken levert ons toch wel interessante informatie op. Als we het zonlicht met geluid vergelijken dan heeft bijna iedereen wel eens getracht iemand te verblinden met en spiegeltje en zonlicht. In dit geval geldt de regel: HOEK VAN INVAL = HOEK VAN UITVAL Ditzelfde is ook geldig voor geluid of ultrageluid.

REFLECTIE IN DETAIL

c2

Om het een en ander nog iets complexer te maken, hebben we ook te doen met refractie (breking). Op de overgang tussen twee structuren zal de geluidsbundel iets worden afgebogen overeenkomstig de formule sin i / sin θ = c1 / c2 (c=geluidssnelheid). Met andere woorden de grootte van de refractie is afhankelijk van de ultrasound snelheid in beide weefsels. In menselijk weefsel is de refractie gering omdat het verschil in geluidsnelheid tussen de meeste media klein is. Er wordt zelfs met één constante snelheid gerekend van 1540 m/sec. Derhalve hebben we in de praktijk geen rekening te houden met deze refractie.

Overgang Geluidsbron

Invallend geluid

REFLECTIE IN DETAIL

HOEK VAN INVAL = HOEK VAN UITVAL

Hoek van Inval

Weefselovergang Hoek van Uitval Doorgezonden geluid

Gereflecterd geluid

Feb. 2007

Nr. 10

De geluidsbron zendt het geluid uit en treft de overgang onder een hoek. Het gevolg is dat het gereflecteerde geluid onder dezelfde hoek wordt teruggekaatst. Hoek van inval is hoek van uitval. Maar dan is het resultaat ook dat de reflectie de geluidsbron, onze transducer, nooit zal bereiken en er dus ook geen reflectie (echo) gedetecteerd kan worden. In veel gevallen zal een overgang een bepaalde ruwheid hebben, zodat de reflectie alle kanten zal opgaan en een klein gedeelte de transducer wel zal bereiken. Op het beeldscherm zal deze echo echter wel veel zwakker worden afgebeeld. Dit fenomeen staat bekend als anisotropie, de structuur wordt niet loodrecht getroffen door de geluidsbundel.

Geluidsbron

De ideale situatie voor reflectie Om een optimaal beeld te verkrijgen, moet tijdens het echo onderzoek steeds weer getracht worden om de te onderzoeken structuren loodrecht te treffen, dan zal de reflectie langs dezelfde weg teruggekaatst worden en de transducer bereiken. Hier zal de drukgolf het kristal vervormen en de spanning welke ontstaat zal door het apparaat worden verwerkt en als heldere stip op de monitor worden afgebeeld. Meer hierover volgt in het vervolg van deze uiteenzetting.


3


ECHOGEBRUIK

PIEZO ELECTRIC EFFECT Electrische spanning

Vleermuizen dolfijnen gebruiken ultrasound

0 Volt

+ Volt -

- Volt +

- Volt + + Volt -

SPANNING AANGESLOTEN OP EEN KRISTAL VERANDERT DE AFMETINGEN VAN HET KRISTAL. Juni 2006

Nr. 9

Het gebruik van echotechniek is niet alleen aan het menselijk ras voorbehouden, ook vleermuizen maken er gebruik van. De vleermuizen gebruiken ultrasound echotechniek om te navigeren. Het principe is eenvoudig er wordt een “kreet” geslaakt en als er een echo terug komt is er een obstakel, dus moet de vliegrichting worden aangepast. Komt er geen echo, dan kan gewoon op de ingeslagen weg worden doorgevlogen. Vandaar ook de scherpe veranderingen van richting tijdens het vliegen.

Juni 2006

Nr. 11

Wanneer op een kristal geen elektrische spanning is aangesloten heeft het een bepaalde dikte. Sluiten we een spanning aan met de polariteit +/- dan zal het kristal dikker worden. Draaien we de polariteit echter om -/+ dan wordt het kristal dunner. Bij een wisselspanning, zal het kristal dus dikker en dunner worden in het ritme (frequentie) waarmee de spanning wisselt. Dit trillen van het kristal zorgt ervoor dat het geluid het lichaam kan binnendringen.

ECHO GEBRUIK

PIEZO ELECTRIC EFFECT ELECTRISCHE SPANNING

Echo wordt gebruikt bij het in kaart brengen van de zeebodem en bij het opsporen van scholen vis DRUK

DIEPTE = V x T / 2

DRUK UITGEOEFEND OP EEN KRISTAL RESULTEERT IN EEN ELECTRISCHE SPANNING Juni 2006

Nr. 10

Juni 2006

Nr. 12

Ook de mens maakt gebruik van echotechniek, bijvoorbeeld om de zeebodem in kaart te brengen. Een geluidssignaal wordt uitgezonden en gereflecteerd door de zeebodem, de tijd tussen zenden en ontvangen wordt gemeten en de afstand berekend. Dit kan gedaan worden omdat de snelheid van ultrageluid in water bekend is, het resultaat is de dieptemeter.

Het piezo-elektrische effect is omkeerbaar. Als het kristal vervormd wordt door er druk op uit te oefenen, zal het een elektrische spanning afgeven. Dus als een echo (drukgolf) tegen het kristal stoot zal er een heel kleine spanning ontstaan. Deze spanning wordt dan door de elektronica in het echoapparaat verwerkt. Samengevat:

Ultrasound wordt ook gebruikt om scholen vis op te sporen. Zwemt er een school door de ultrageluidsbundel, dan zal er een reflectie optreden welke op een monitor zichtbaar gemaakt wordt. Ook wordt deze techniek op onderzeeboten gebruikt.

Spanning aangesloten op een kristal verandert de afmetingen van dat kristal Druk uitgeoefend op een kristal resulteert in een elektrische spanning

Om het geluid uit te zenden en de echo’s te ontvangen In vergelijking tot de mens is het kristal dus stem en wordt gebruik gemaakt van Piezo-Elektrische kristaloren tegelijk len. Dit zijn de meest belangrijke delen van een echoapparaat. "Echografie, onze specialisatie, uw inspiratie" Sinds 1998 toonaangevend in Musculoskeletal Ultrasound

4


MONITOR DISPLAY

SCANNER PRINCIPE ECHO

ECHO

ELEKTRONICA TRANSDUCER ZEND PULS

MEDIUM I

MEDIUM II

DISPLAY

ECHO´S GETOOND OP DISPLAY

Juni 2006

Nr. 14

Nu naar de apparatuur kant, het diagnostische ultrasound systeem. Heel basaal bestaat een echoapparaat uit een transducer, of probe, een doos met elektronica en een monitor waarop het resultaat zichtbaar gemaakt wordt. De probe wordt geactiveerd en het geluid dringt het lichaam in, op de overgang van medium 1 en medium 2 wordt een deel van de energie gereflecteerd en het andere deel gaat verder. Op de overgang medium 2 en de rest gebeurt hetzelfde. Dus kort na elkaar komen twee echo´s op de probe terug welke in de elektronica verwerkt worden en als 2 stippen op de display worden weergegeven. Het enige wat de elektronica in wezen doet is tijd meten omdat de snelheid van het geluid bekend is, namelijk gemiddeld 1540 m/sec. kan de afstand tussen beide echo’s berekend worden. Dus kunnen ook structuren worden weergegeven.

Juni 2006

Nr. 16

Op de display ziet het beeld eruit zoals hier getoond, witte stippen welke de contour van het “orgaan” voorstellen. Het ziet er allemaal wat grof uit, omdat we weinig kristallen getekend hebben en ze ook nog eens ver uit elkaar hebben gezet, maar zo is het wel begonnen in de vroege zeventiger jaren in Rotterdam.

1973

ELECTRONISCHE LINEAR ARRAY Het gebruik van een Linear Array in cardiologie Juni 2006

Nr. 17

Hier zien we het prototype van de ECHO cardio VISOR, een ontwikkeling van Prof. Klaas Bom aan het Thorax Centre in Rotterdam in 1973.

Juni 2006

Nr. 15

Tot nu toe hebben we enkel over één kristal gesproken, maar we kunnen ook een aantal kristallen op een rij zetten “Linear Array” en zo een 2-dimensionaal beeld gaan maken. We zien hier een “orgaan” onder de Linear Array (probe) liggen. Het linker kristal zend een ultrasound puls uit en ontvangt 2 echo´s welke dan op de display worden getoond. Hierna wordt het 2e kristal geactiveerd en gebeurt hetzelfde, daarna het 3e enz…Op deze manier wordt het orgaan elektronisch afgetast (gescand). Zo´n scan gaat bijzonder snel, tot meer dan 25 maal per seconde, zodat we over real time kunnen spreken.

Het apparaat wordt hier voor een hartonderzoek gebruikt en op het stilstaande plaatje zien we een doorsnede van de aorta met een echo van de aortaklep. Moeilijk te interpreteren, maar de onderzoekers zagen gelukkig ook de beweging zodat het in ieder geval iets beter te begrijpen was. Hoe dan ook alle lof voor deze pioniers.


5


2004

ECHO VERSTERKING Echo´s van diepere structuren zijn zwakker. VERSTERKING

Daarom meer versterken om Ze zichtbaar te maken. Dit heet:

Tijdsafhankelijke Versterking Of Time Gain Compensation

DIEPTE / TIJD

Een modern Convex systeem in Obstetrie Juni 2006

Nr. 18

Juni 2006

Nr. 20

Zo´n 30 jaar later zien de beelden er heel anders uit en ziet zelfs een leek dat het hier om de afbeelding van een ongeboren kind gaat. Een bijzonder snelle ontwikkeling van deze moderne techniek.

Omdat de grootte van een echo niet alleen van de diepte (tijd) afhangt, maar ook van het verschil in akoestische impedantie op het grensvlak wordt de mogelijkheid geschapen om afhankelijk van de diepte (tijd) de echo´s per zone te kunnen versterken. Zie de schuifjes in de figuur hieronder.

B - MODE WEERGAVE

ECHO VERSTERKING VERSTERKING

ELECTRONISCHE LINEAR ARRAY

ELECTRONISCHE CONVEX ARRAY

MAAR:

ELECTRONISCHE µCONVEX ARRAY

Echo´s ook afhankelijk van Verschil in weefseldichtheid

DAAROM: Diepte in zones verdelen om de Versterking per zone In te stellen DIEPTE / TIJD

Juni 2006

Nr. 19

Het bleef niet bij de linear array, maar de kristallen werden ook op een cirkelbaan geplaatst zodat een taartvormig beeld ontstaat, meer overzicht van dieper liggende structuren, de Convex Array. Maar de radius waarop de kristallen staan kan nog verder verkleind worden zodat de aanraking met de huid nog minder wordt en ook op moeilijker bereikbare plaatsen beter gescand kan worden. Bijvoorbeeld tussen de ribben door naar het hart. Dit is de zogenaamde MicroConvex Array.

Juni 2006

Nr. 21

Een voorbeeld waarom we dit nodig hebben. De achterwand van het hart grenst aan longweefsel, wat gevuld is met lucht. Hier krijgen we dus een relatief grote reflectie welke zo groot is dat hij de eerdere echo´s kan overstralen en ze dus minder duidelijk maakt. Daarom is in dit gebied minder versterking nodig wat met de meest rechtse schuiven beïnvloed

ECHO VERSTERKING VERSTERKING

Terug naar de techniek. De echo signaaltjes zijn heel klein en de signaaltjes van diepere structuren zijn nog weer kleiner. Om de echo´s nu goed zichtbaar te kunnen maken moeten ze versterkt worden op een manier welke gerelateerd is aan de diepte ofwel aan de tijd. Dit is een tijdsafhankelijke versterking of Time Gain Compensation.

Geeft de mogelijkheid om Overstraling bij heel Sterke echo´s te voorkomen. Denk aan overgang Hartspier – Longweefsel (lucht)

DIEPTE / TIJD

Minder versterking voor specifiek gebied.

Juni 2006

Nr. 22


6


Daarom vinden we op de moderne apparatuur instellingen voor de afzonderlijke zones en een instelling voor de totale versterking van alle echo´s. Vaak wordt de ingestelde waarde ook nog op het display weergegeven in cijfers.

AXIALE RESOLUTIE Zendpuls: • 2 Periodes • Hoge frequentie • Korte tijd

Goede axiale Resolutie

ECHO VERSTERKING Zendpuls: • 2 Periodes • Lagere frequentie • Langere tijd

Optimale Time Gain Control Individuele versterking voor 6 zones

Minder axiale Resolutie

Totale versterking met een grote draaiknop in kleine stapjes

In onderstaande figuur wordt nog eens getoond dat een lage frequentie (lange golflengte) beide structuren in dezelfde zendpuls treft en dus als één structuur worden gezien.

De instelling wordt digitaal op de Display weergegeven Juni 2006

Nr. 23

Resolutie of wel het oplossend vermogen bepaalt voor een groot deel de beeldkwaliteit. We onderscheiden: AXIALE RESOLUTIE en LATERALE RESOLUTIE. Het vermogen om structuren achter elkaar te onderscheiden en het vermogen om structuren boven en onder elkaar te onderscheiden. Beide soorten worden in detail behandeld.

RESOLUTIE

De hogere frequentie zal beide structuren afzonderlijk treffen en van beide een reflectie geven die van elkaar zijn te onderscheiden. Bij een hogere frequentie, dus korter wordende golflengte zullen kleinere structuren nog een reflectie geven. Hierdoor zal meer energie verloren gaan en zal ultrageluid met een korte golflengte en dus hoge frequentie meer verzwakt worden en minder diep in de weefsels kunnen doordringen. Als kleinere structuren in trilling gebracht kunnen worden, ontstaan ook echo’s van deze dunne structuren welke door de probe weer worden opgevangen dit heeft dan als gevolg dat meer detail kan worden weergegeven.

Axiale Resolutie

AXIALE RESOLUTIE Laterale Resolutie

Axiale resolutie We willen elke weefselovergang kunnen zien, wanneer echter twee weefselovergangen binnen de tijdsduur van de zendpuls vallen is dit niet mogelijk en zien we maar één overgang. De oplossing is een zo kort mogelijke zendpuls gebruiken. Echter we hebben ook een minimale hoeveelheid energie nodig en het zal duidelijk zijn dat bij meer periodes er meer energie is, maar de puls duurt ook langer. Er is dus duidelijk een compromis situatie en er zijn zeker 2 periodes nodig. In dit geval zal de axiale resolutie in feite afhankelijk zijn van de gebruikte frequentie omdat 2 periodes van een hoge frequentie korter duren dan van een lagere frequentie.

Structuur 1

Lage Frequentie

Een hoge frequentie geeft kleinere details weer in de diepte.

Hoge Frequentie

Maar er treedt ook meer verzwakking op, dus minder penetratie.

Structuur 2

C / HTM


7


FREQUENTIE EN DETAIL

LATERALE RESOLUTIE

Patella-pees

Plaats van de Reflector

5.0 MHz Plaats van de Echo 7.5 MHz

10.0 MHz Juni 2006

Nr. 25

Hier een paar klinische voorbeelden welke het effect van een hogere of lagere frequentie aangeven. Bij een hogere frequentie worden de structuren in de patella pees fijner weergegeven, evenals de belijning van de pees. Gebruik daarom steeds een probe met de hoogst mogelijke frequentie.

FREQUENTIE EN DETAIL LAGE frequentie, goede penetratie, minder resolutie HOGE frequentie, minder penetratie, goede resolutie

Multi-frequency probes, combineren verschillende frequenties voor optimale beeldweergave

Juni 2006

Laterale resolutie De laterale resolutie bepaalt de mogelijkheid om structuren welke zich loodrecht op de zendrichting bevinden van elkaar te onderscheiden. Uit bovenstaande figuur blijkt dat als de ultrasound bundel nauwer is de laterale resolutie verbetert. Bij een nauwere bundel valt de ene reflector buiten het gezichtsveld en zal dus niet worden afgebeeld, precies wat nodig is. Echter als we de bundel nauwer maken door de diameter van het kristal te verkleinen, zal de lengte van het parallelle deel (near field) korter worden en de divergentie zal groter worden, dus de laterale resolutie in de diepte wordt minder. De oplossing hiervoor is focussering toe te passen.

LATERALE RESOLUTIE

Nr. 26

Om kosten voor de gebruiker te sparen en omdat de techniek het nu mogelijk maakt heeft men MultiFrequency probes ontwikkeld. Deze probes hebben een brede frequentie karakteristiek en kunnen daarom op verschillende frequenties worden ingesteld om zo de meest optimale frequentie voor de applicatie te kunnen kiezen. Lage frequenties voor meer penetratie en hoge frequenties voor meer detailweergave.

Focussering van de bundel kan bereikt worden door de probe te voorzien van een akoestische lens (hol geslepen oppervlakte), waarbij de radius van de lens de focus positie in de diepte bepaalt. Hoe minder hol de lens des te dieper wordt gefocusseerd. Deze methode heeft een groot nadeel, namelijk voor elke diepte zal een andere lens nodig zijn, wat weer betekent dat een compleet nieuwe probe nodig is. Wat wel duidelijk is dat de nauwe bundel in het focus punt een betere onderscheiding mogelijk maakt in laterale richting.

Tot nu toe hebben we enkel gekeken naar transducers met maar één kristal. Linear Array transducers maken een meer flexibele focussering mogelijk. "Echografie, onze specialisatie, uw inspiratie" Sinds 1998 toonaangevend in Musculoskeletal Ultrasound

8


ELEKTRONISCHE FOCUSERING

ZONES ZENDFOCUS

Korte Vetragingstijden Diepe Focus Multi Element Transdducer Ondiepe Focus Lange Vertragingstijden

Electronic Linear Array transducers zijn opgebouwd uit een groot aantal kleine kristallen op een rij. Door een groep kristallen te gebruiken en deze de een na de ander met een kleine tijdsvertraging uit te laten zenden, kan de resulterende ultrasound bundel gefocusseerd worden op een bepaalde diepte. Door de tijdsvertraging aan te passen wordt een ander focus punt ingesteld.

Laten we uitgaan van 3 zones over één beeldlijn. Eerst wordt uitgezonden en gefocusseerd op diepte F1. Nu wordt zo lang ontvangen tot alle echo’s over het gebied F1 binnen zijn.

Omdat we hier niet te doen hebben met een mechanische lens, maar met elektronische schakelsystemen, kunnen we de focus zones door middel van knopjes op de apparatuur instellen en kan met één transducer worden volstaan voor verschillende focus zones.

Daarna zenden en focusseren voor gebied F3. Eerst nu is één beeldlijn op de monitor geschreven, het duurt dus langer dan bij één focus zone. De beeldfrequentie wordt lager en snel bewegende structuren kunnen minder gemakkelijk worden bestudeerd.

POSITIE ZENDFOCUS

Nu wordt opnieuw uitgezonden en gefocusseerd op zone F2. Hierna alleen ontvangst van echo’s uit het gebied F2.

Bij onderzoek van snel bewegende foetale harten is deze manier van focusseren niet optimaal. Bij langzaam bewegende structuren speelt dit geen grote rol, omdat de beeldweergave veel mooier is.

ZONES ZENDFOCUS De focus positie wordt over het beeld verschoven naar het interessegebied.

Het aantal focus zones kan op maximaal 4 worden ingesteld

In bovenstaande wordt de focus zone ingesteld met de trackball en de positie door middel van een gekleurde lijn op het monitorscherm aangegeven. Bij het gebruik van Muli-Element transducers (Linear Array, Convex Array, etc.) kan niet slechts één focuszone geactiveerd worden, maar het is ook mogelijk meerdere zones snel na elkaar te activeren, waardoor in de diepte een groter gebied gefocusseerd wordt. Om dit te realiseren, wordt elke beeldlijn in de diepte niet in één keer geschreven, maar in meerdere keren, afhankelijk van het aantal ingeschakelde focus zones.

De beeldfrequentie wordt lager !!

De instelling van het aantal focus zones wordt eenvoudig met behulp van schakelaars op het bedieningpaneel van de scanner gedaan. De ingestelde zones worden met vertikaal gekleurde lijnen aangegeven.


9


AUTOMATISCHE ONTVANGST FOCUS

DYNAMIC RANGE HOOG

VERST.

Alle echo variaties

REFL.

zijn zichtbaar VERTRAGINGSTIJDEN REFL.

LAAG Kleine variaties op grote

VERST.

echo´s zijn verzadigd en niet zichtbaar Juni 2006

Om het beeld kompleet te maken, tijdens ontvangst wordt in de apparatuur dynamisch gefocusseerd. Weer worden een groot aantal kristallen tegelijkertijd gebruikt. Deze kristallen ontvangen allemaal een deel van de reflectie met een zekere tijdsvertraging. Door elk kristal nu te koppelen aan een vertragingslijn (delay line) kan ervoor gezorgd worden dat alle reflecties tegelijkertijd beschikbaar komen en dus de volledige reflectie zichtbaar gemaakt kan worden. Dit geldt voor de reflectoren welke zich op de as van de set elementen bevindt. Een reflector welke zich niet op de as bevindt wordt niet weergegeven. Door real time de delay lijnen aan te passen kan continue over de gehele diepte worden gefocusseerd tijdens het ontvangen van de echo´s. De gebruiker hoeft niets te doen, dit gebeurt helemaal automatisch.

ONTVANGST FOCUS

Nr. 27

Omdat in de echo signalen een groot scala aan amplitudes voorkomen welke we allemaal willen zien hebben we een groot dynamisch bereik nodig. Het dynamisch bereik kan worden voorgesteld als een poort waar alle signalen doorheen moeten. Een groot bereik is een grote poort en een klein bereik een kleine poort. In het bovenste deel van de figuur staat de poort wijd open en kunnen alle amplitudes erdoor, dus worden ze ook allemaal zichtbaar gemaakt. In het onderste deel staat de poort een beetje open en een groot deel van de verschillende amplitudes kunnen er niet door. Het gevolg hiervan is dat er een overstraling van de echo´s op het beeldscherm optreedt. Het beeld wordt erg hard, dus zwart / wit. Dat men toch de mogelijkheid heeft dit in te kunnen stellen vind zijn reden in het feit dat een groot dynamisch bereik extra ruis veroorzaakt. Bij cardiologische opnames kan dan ook ruis in het bloed optreden, wat men liever niet wil om het beeld helder te houden. Echter bij structuren zoals lever, maar ook pezen wil men juist de kleine details zien en zal men een grote Dynamic Range gebruiken.

DYNAMIC RANGE

Zodra de bundel te ver gaat divergeren, wordt een nieuwe delay lijn lijn ingeschakeld. Resultaat ……. ……. een nauwe, parallelle bundel tijdens ontvangst over de hele diepte. diepte.

Het resultaat een optimaal gefocusseerde bundel over de gehele diepte, zonder dat dit een vertraging van de beeldopbouw, dus de beeldfrequentie geeft.

Hoge Dynamic Range 75 dB

Lage Dynamic Range 45 dB

Juni 2006

Nr. 28

Het verschil tussen een groot en klein dynamisch bereik is duidelijk in deze beelden te zien. Bij een hoge dynamic Range zijn de echo-lijnen dunner en beter getekend. Bij een lage Dynamic Range zijn er veel minder kleine echo´s te zien en lopen de witte echo´s in elkaar over, er treedt overstraling op. "Echografie, onze specialisatie, uw inspiratie" Sinds 1998 toonaangevend in Musculoskeletal Ultrasound

10


BIOLOGISCHE EFFECTEN

GAMMA CORRECTIE GRIJS WAARDEN

Van invloed op de biologische effecten is met name de hoeveelheid hoeveelheid geluid en de tijdsduur van het onderzoek

ENERGIE ENERGIE PER TIJDSEENHEID = VERMOGEN

Licht grijs

P = E / t = (Joule / sec.) = (WATT) = W

GAMMA CORRECTIE

Laat een echo met een vaste sterkte als verschillende grijswaarde zien

Donker grijs

INTENSITEIT INTENSITEIT = VERMOGEN PER OPPERVLAKTE I = P / O = (watt / cm2) = W / cm2

0

MAX.

ECHO STERKTE

Bron: Bron: Echoscopie in de verloskunde en gynaecologie

Juni 2006

Nr. 29

Gamma correctie zorgt ervoor dat een echo van een bepaalde sterkte met een bepaalde grijswaarde (kleur) wordt weergegeven. Hiermee kan de beeldweergave worden beïnvloed. In de grafiek zijn verschillende zogenaamde “gammacurves” weergegeven. Als het echosignaal met een vaste sterkte volgens de rechte lijn wordt behandeld, zal de echo lichtgrijs op de monitor worden weergegeven. Kiezen we echter voor de meest holle curve, dan zal dezelfde echo donker grijs worden weergegeven. Met deze manipulaties kunnen de beelden zachter of harder worden weergegeven al naar de smaak van de gebruiker.

GAMMA CORRECTIE

2

Van invloed op het biologische effect is de geluids energie. Het vermogen is de energie gemeten over een bepaalde tijdsperiode. De geluidsintensiteit, uiteindelijk is het vermogen per oppervlakte eenheid. De intensiteit is dan ook hetgeen als maat wordt opgegeven, bovendien worden er bepaalde indices gebruikt, voor de mechanische en de thermische intensiteit.

Wat betekent dit voor de beeldkwaliteit

1

Over biologische effecten van ultrageluid wordt regelmatig gesproken, echter tot op heden is er geen bewijs dat de toepassing van echotechniek gevaarlijk is voor de patiënt, of in geval van verloskunde voor het ongeboren kind. Het is duidelijk dat geen onnodig onderzoek moet worden uitgevoerd. Normaal wordt gewerkt volgens het ALARA principe. Dit staat voor As Low As Reasonably Achievable. Dus zo laag mogelijke geluidsintensiteit en zo kort mogelijk onderzoek.

VERMOGEN & INTENSITEIT

3

Tp tp P

tp = pulsduur Juni 2006

4

5

Tp = pulsherhalingstijd

Nr. 30

P = vermogen

Hier een aantal klinische beelden met verschillende gammacurves. 1 is een holle curve en 5 is een rechte lijn. De beelden daartussen zijn opgenomen met de overige curves. Met andere woorden van een rechte lijn naar de meest holle curve worden de beelden steeds zachter en zal ook wat meer detail zichtbaar zijn.

I = intensiteit IPA = puls average intensiteit ITA = temporal average intensiteit I

IpA

ITA Bron:: Echoscopie in de verloskunde en gynaecologie Bron

Echo apparatuur werkt met gepulseerd geluid dat gedurende een korte tijd wordt uitgezonden, daarna is het apparaat niet actief, maar ontvangt enkel de echo’s. Gedurende de zendpuls tp wordt energie afgegeven en is de gemiddelde intensiteit IPA. Dit is de piekintensiteit, echter de gemiddelde intensiteit gedurende de zend en ontvangst periode is veel lager, namelijk ITA. Om geen spraakverwarring te krijgen zijn o.a. door de FDA een aantal waarden vastgesteld.


11


INTENSITEIT

HS-1500/2000/4000 Ispta mW/cm mW/cm2

Intensiteit binnen de bundel is niet overal gelijk, gelijk, daarom maximum intensiteit meten Gemeten waarden: waarden:

MI

TI

HCSHCS-3(4)36M

27.1/27.3/21.4

0.80/0.90/0.92

0.09/0.10/0.16

HCSHCS-3(4)52M

63.7/41.8/13.1

0.82/0.93/0.94

0.12/.10/0.06

HCSHCS-3(4)710M

17.7/16.0/2.9

0.77/0.91/0.77

0.14/0.05/0.02

HLSHLS-3(4)75M

21.2/16.5/14.2

0.83/0.92/0.77

0.03/0.07/0.12

HLSHLS-3(4)13

14.2/6.2/7.4

0.51/0.75/0.37

0.08/0.06/0.04

ISPTA = Spatial Peak Temporal Average intensiteit ISPPA = Spatial Peak Pulse Average intensiteit MI

= Mechanische Index

TI

= Thermische Index

FDA richtlijnen ISPTA

ISPPA

MI

TI

Perifere vaten

720

190

1.9

6.0

Foetus/organen

94

=<190

=<1.9

6.0

Bron:: Echoscopie in de verloskunde en gynaecologie Bron

Afhankelijk van de toepassing wordt een maximale intensiteit toegestaan. Uit bovenstaande tabel blijkt dat dit voor foetus en organen duidelijk lager ligt dan voor bloedvaten. Dit laatste komt omdat daar met name gerekend wordt met doppler onderzoek, waarbij de intensiteiten beduidend hoger liggen dan bij gepulseerd echo onderzoek.

Hoe de waarden zijn voor de Honda apparatuur wordt in deze figuur aangegeven. De waarden zijn verschillend per apparaat en per transducer type. Echter alle waarden liggen ver onder de maximale normen.

INDICES Thermische Index TI = W01 / Wdeg Ofwel het vermogen uitgezonden door een probe van 1 cm breed Gedeeld door het vermogen waarbij een temperatuurverhoging van 1° 1° ontstaat

Mechanische Index MI = p(Z p(Zsp) / (f (fc)1/2 De piekwaarde van de expansiedruk op een diepte Zsp Gedeeld door de center frequentie van de probe

In bovenstaande figuur worden de formules voor de mechanische en thermische index weergegeven. Het blijkt dat met name de mechanische index afhankelijk is van de frequentie van de transducer. De mechanische index wordt lager naarmate de frequentie hoger wordt, bij hogere frequenties zijn daarom hogere drukken toelaatbaar.


12


Some useful definitions in regard to Diagnostic Ultrasound Physics Absorption is the transfer of energy from the ultrasound beam to the tissue. It is proportional to frequency. Apodization is a method for reducing side lobes in some arrays. It gradually decreases the vibration of the transducer surface with distance from its centre. It is usually accomplished by using more power to excite the innermost elements. Axial resolution is the minimum separation between two interfaces located in a direction parallel to the beam so that they can be imaged as two different interfaces. Decibel is a way to express the ratio of two sound intensities: dB=10log10I1/I2 being I1 the reference. For instance: +3 dB = I multiplied by 2 and -3 db = I divided by 2. Diffraction is the change in the directions and intensities of a group of waves after passing by an obstacle or through an aperture. Duty factor is the lapse of time the transducer is actively transmitting sound. Echo ranging is the relationship between transit time and reflector depth expressed as t = 2d/c. Grating lobes as side lobes are secondary ultrasound beams projecting off-axis at predictable angles to the main beam. Side lobes are too small to produce important artefacts. Half Value Layer (HVL) is the distance the sound beam penetrates into a tissue when its intensity has been reduced to one half of its initial value. Huygens' principle states that an expanding sphere of waves behaves as if each point on the wave front were a new source of radiation of the same frequency and phase. Impedance is the product of the density of a material and the speed of sound in that material. Pulse average intensity I(PA) is the average intensity during the pulse. Lateral resolution is the minimum separation of two interfaces aligned along a direction perpendicular to the ultrasound beam. It depends on the beam width. Partial Volume Artefact (slice thickness or volume averaging artefact), that occurs when the slice thickness is wider than the scanned structure. Q-value means the degree that a transducer is finely tuned to specific narrow frequency range. For instance: Low Q means wide bandwidth and High Q means narrow bandwidth Range resolution is the ability to determine the depth of reflectors. Rayleigh scatterers are objects whose dimensions are much less than the ultrasound wavelength. Scattering increases with frequency raised to the 4th power and provides much of the diagnostic information from ultrasound. Refraction is the bending of a wave beam when it crosses at an oblique angle the interface of two materials, through which the waves propagate at different velocities. Snell's law governs the direction of the transmitted beam when refraction occurs: sin qt = (c2/c1) x sin qi (qt and qi are transmit and incident angles respectively) Spatial Average Intensity (SA) is the acoustic power within the beam, divided by the beam area. Spatial Peak Intensity (SP) is the point in the sound field with maximum intensity. Side lobes are energy in the sound beam falling outside the main beam. Spatial resolution means how closely two reflectors -or scattering regions, can be to one another while they can be identified as different reflectors. Subdicing is a technique used to overcome grating lobes: each major transducer element is devided into smaller parts, each one being a half wave length. Temporal (instantaneous) Peak Intensity I(TP) or I(IP) is the maximum intensity during the pulse. Time Average Intensity I(TA): average intensity calculated over the time between pulses: ITA= I(PA) x Duty factor. Wavelength is l=c/f (c = propagation speed; f = frequency).


13


Doppler Aliasing is an artefact that lowers the frequency components when the PRF is less than 2 times the highest frequency of a Doppler signal. Beat frequency, for CW Doppler, is the Doppler shift. Doppler shift is the change in the perceived frequency relative to the transmitted frequency. Doppler shift frequency: fD = fr - f0 = 2f0v/c. Doppler shift frequency with incident angle: fD = 2f0v/c cos q. Ensemble length -packet size, shots per line- is the number of pulses per scan line. In color Doppler, each line of sight most be pulsed several times. FFT. Fast Fourier Transform analyzer is a common device that performs spectral analysis in ultrasound instruments. In this case, it displays different quadrature Doppler frequencies, or reflector velocities when a sample volume cursor is used (Doppler frequency is proportional to reflector velocity) along time. High pass filter is the wall filter. Nyquist Frequency is the maximum frequency that can be sampled without aliasing. NF = PRF/2 (PRF stands for Pulse Repetition Frequency). Quadrature detection is a signal processing method for directional Doppler in which the signal reference frequency for two channels differ in phase by 1/4 period. The output Doppler signal phase for both channels also depends on the Doppler shift, whether positive or negative. Spectral analysis is the quantitative analysis to display the distribution of frequencies. Variance is the variation of Doppler frequencies within each pixel during a pulse packet, effective to detect turbulence with colour Doppler.

Herman T. Massink heeft elektronica gestudeerd en is in 1972 in contact gekomen met Organon Teknika, welke een nauwe samenwerking had met het thorax centrum in Rotterdam, waar het eerste real time linear array systeem is ontwikkeld door de groep van Prof. Klaas Bom. Dit systeem de Echo Cardio Visor is door Herman in heel west Europa op de meest belangrijke universiteiten geïntroduceerd. Hierna werd hij verantwoordelijk voor de Marketing activiteiten binnen het bedrijf. In 1982 heeft hij de functie als sales manager geaccepteerd bij PIE Medical, waar hij de wereldwijde verkoopverantwoordelijkheid had.

DYNAMIC Medical & Veterinary Products BV

HONDA Electronics European Support Centre Bedrijvenpark Twente 165 L 7602 KE ALMELO The Netherlands Tel: +31-(0)546-658580 Fax: +31-(0)546-697761 Email: [email protected] Internet: www.dynamic-bv.nl Internet: www.echoclinic.nl

Van 1989 tot 1993 was hij werkzaam bij Texas Instruments als Marketing Director om een nieuwe elektronische identificatie techniek voor dieren wereldwijd te introduceren. Het bloed kruipt waar het niet gaan kan, daarom heeft hij in 1993 DYNAMIC opgestart, een bedrijf dat zich specialiseert in de marketing en verkoop van diagnostische echoapparatuur. DYNAMIC heeft niet alleen als doelstelling echoapparatuur aan te bieden, maar bovenal veilig te stellen dat de gebruikers een uitstekende opleiding krijgen om optimaal gebruik van de aangeschafte apparatuur te kunnen maken.


14


ACHTERGRONDEN BIJ ECHODIAGNOSTIEK

Recommend Documents