Az ultrahang orvosi alkalmazásai
Dóczy-Bodnár Andrea 2011. október 17.
Az ultrahang orvosi alkalmazásai Ultrahang diagnosztika • UH visszaverődése és/vagy szóródása → az „echo” detektálása • izom, lágy szövetek, csontok felszínének leképezése 2D és 3D képek (3D képek valós időben → 4D) • mozgás/sebesség információ is nyerhető • 2-18 MHz (1-50 MHz) UH frekvencia (behatolási mélység vs. felbontás, ld. később) • Nincs ionizáló sugárzás, nem invazív módszer
Terápiás alkalmazások (i) Nagy intenzitású UH • UH hő- és mechanikai hatása kívánt struktúrák (pl. tumor, vesekő, stb.) eltávolítása/roncsolása • magasabb energiák, mint az UH diagnosztikában • frekvenciák széles tartományban mozognak (de általában alacsonyabbak, mint a diagnosztikában) (ii) Alacsony intenzitású UH (pl. csontnövekedés stimulálása)
Ultrahang diagnosztika 1. Ultrahang előállítása piezoelektromos transzducer – inverz piezoelektromos hatás frekvencia, időtartam, pásztázás impulzus vs. folytonos ultrahang technikák 2. Ultrahang kölcsönhatása a humán szövetekkel „A jó, a rossz és a csúf…” visszaverődés, szóródás → jel (echo) abszorpció, visszaverődés, szóródás, törés → UH gyengülése törés (refrakció) → fals információ/artefaktum 3. Echo detektálása piezoelektromos transzducer – piezoelektromos hatás echo intenzitása, érkezési ideje (és frekvenciája) 4. Adatfeldolgozás → képalkotás erősítés képalkotás/megjelenítés térbeli felbontás
Ultrahang diagnosztika Transzducerek I.
Z Vastagság
Tompító - egység
Piezoelektromos lapka
Illesztőréteg
Közepes
Nagy
Kicsi
λ/2
λ/4
• piezoelektromos lapka (kristály vagy kerámia) UH előállítása és detektálása (elektromos energia ↔ mechanikai energia) hatékony transzdukció – rezonancia frekvencia (lapka vastagsága néhány száz μm – hullámhossztól függ) egyetlen ill. több frekvencia kibocsátására képes transzducerek • tompítóegység: magas UH abszorpcióképesség → UH abszorpciója ebben az irányban • illesztő réteg – a transzducer és a vizsgált objektum között elősegíti az UH transzmisszióját a humán szövetekbe • akusztikai keménység, méret (ld. táblázat) → maximális energia kibocsátás a kívánt irányban
Ultrahang diagnosztika Transzducerek II.
• Diagnosztikai alkalmazások többsége: UH impulzusok egyetlen elektromos impulzus → a lapka rövid ideig rezeg UH előállítása és detektálása ugyanazzal a transzducerrel sávszélesség, időtartam, ismétlési idő • folyamatos hullámú UH technikák (pl. CW Doppler) UH előállítása és detektálása egymástól szeparáltan
Ultrahang diagnosztika Transzducerek III. UH-nyaláb fókuszálása • nyaláb átmérő → UH kép felbontása • természetes fókuszálás → nyaláb átmérője a közel- és távoltér határán a legkisebb (r2/λ) • fókuszálási technikák konkáv transzducerek, akusztikus lencsék, elektronikus fókuszálás – késleltető egységek
Pásztázás • fókuszált nyalábbal • mechanikus pásztázás • elektronikus módszerek (UH átalakító sorok, transducer array) „linear” és „curved” array több lapka hullámainak interferenciája → fókuszálás → egydimenziós képvonal eltolás 1 lapkával → újabb képvonal
Ultrahang diagnosztika Ultrahang viselkedése humán szövetekben I. Viszaverődés • különböző akusztikus impedanciájú közegek határán • diagnosztikai információ • UH gyengülése
• reflexióképesség (R), beesési szög • szabályos („tükröző”) visszaverődés lapos, sima felszín; λUH ˂ visszaverő struktúra visszaverődés törvényei
• diffúz (szórt) visszaverődés nem teljesen sima, érdes visszaverő felszínről
Szóródás UH hullámhosszánál kisebb részecskék (pl. vörösvértestek) frekvenciafüggő diagnosztikai információ + gyengülés
Néhány határfelület reflexiós tényezője (R) Izom/vér
0,0009
Zsír/máj
0,006
Zsír/izom
0,01
Csont/izom
0,41
Csont/zsír
0,48
Lágy szövet/levegő
0,99 !!!
UH-diagnosztika – csatoló közeg (ld. illesztőréteg) a forrás és a test között (gél; víz – ha megoldható)
csontárnyék, kőárnyék
Ultrahang diagnosztika Ultrahang viselkedése humán szövetekben II. Abszorpció • akusztikus energia hővé alakulása • lágy szövetekben gyengülés 80-90%-át okozza • frekvenciafüggő (μ frekvencia) • felezési rétegvastagság, tompítás
Törés • különböző akusztikus impedanciájú közegek határán irányváltozása • fals információ (pl. zsír, csontok)
• UH gyengülése
Felező rétegvastagság néhány fontosabb szövetben Anyag
Felező rétegvastagság (cm) 2 MHz
5 MHz
Levegő
0,06
0,01
Csont
0,1
0,04
Máj
1,5
0,5
Vér
8,5
3,0
Víz
340
54
Ultrahang diagnosztika Ultrahang viselkedése humán szövetekben III.
Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek alapja
• UH impulzus → visszaverődés → visszatérő jel (echo) detektálása (amplitúdó, visszatérési idő, frekvencia eltolódás) → jel erősítése és feldolgozása → UH-kép megjelenítése (pl. katódsugárcső)
• 2 impulzus közötti szünet – milliszekundumos nagyságrend (hangsebesség, visszaverő elemek távolsága) • impulzus hossza – mikroszekundum • erősítés time gain compensation (TGC) – erősítés echo-jel mélységének megfelelő szabályozása
Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek I. Egydimenziós A (amplitúdó) – képek • rögzített helyzetű UH-fej, keskeny nyaláb echojelek egyetlen irányból • különböző mélységből érkező jelek időtengelyen (x-tengely) egymásután jelennek meg • visszaérkezési idő (t) → visszaverő felület távolsága (d) a forrástól: ct=2d → két echót okozó felület közötti távolság: d12=(ct1-ct2)/2 • amplitúdó (y-tengely) – ritkán használják diagnosztikai célokra
Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek II. Egydimenziós B (brightness; fényesség) – képek • echo intenzitás → képpont fényessége • önállóan nem használják, további módszerek alapjául szolgál
TM- (M-) mód (time and motion) • visszaverő felületek mozgása a mérési irányban (pl. kardiológia) • egymást követő impulzusokat követően detektált B-képek • x-irányban (időskála) egymás mellé helyezve
Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek III. Kétdimenziós B-kép, UH-tomográfia •Egydimenziós B-képek sorozata a test valamely síkmetszetében • pásztázás – különböző irányokban végzett mérések → 2d kép
• 2D B-képek sorozata 3D képek rekonstrukciója
Ultrahang diagnosztika Feloldóképesség I. Térbeli feloldás • axiális és laterális • feloldóképesség vs. gyengülés/behatolási mélység magasabb frekvencia jobb feloldás, de nagyobb gyengülés felszínhez közeli vs. mélyebben fekvő struktúrák
Sugárirányú (axiális) felbontás • az UH nyaláb mentén fekvő struktúrák megkülönböztetése • impulzus hossz és frekvencia magasabb frekvencia → rövidebb impulzus → jobb felbontás 5 MHz transducer, 3 cycles in a pulse
2,5 MHz transducer, 3 cycles in a pulse
Feloldás határa • elméletben: hullámhossz fele • gyakorlatban: ~1.5hullámhossz (0.75mm 3MHz esetén)
Ultrahang diagnosztika Feloldóképesség II. Laterális felbontás • egymás mellett fekvő objektumok (UH-nyalábra merőlegesen) • nyaláb átmérője – a frekvenciával fordítottan arányos • fókuszzónában a legkisebb a nyaláb átmérője
Feloldási határ • néhány mm
Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek I. mozgó visszaverő/szóró objektum→ sebesség meghatározása a frekvencia eltolódása alapján (pl. véráramlás)
Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek II. Egydimenziós folyamatos hullámú (CW) Doppler • folyamatos UH hullám → két kristály (külön forrás és detektor) • véráramlás a nyaláb mentén → nincs mélységinformáció, átlagos áramlási sebességet határoznak meg • átlagos áramlás nagysága emittált és visszavert hullámok szuperpozíciója → periodikus amplitúdó oszcilláció (lebegés) → frekvencia = Doppler-shift; → hallható tartomány – hangszóróval hallhatóvá tehető • áramlás iránya visszaszórt hullám + referenciahullám (kicsit magasabb frekvencia) szuperpozíciója → kapott jel frekvenciája az áramlás irányától függ → hallható jel magassága – fordítottja a Doppler alapjelenségnek • Előnyök: mérőeszköz kicsi, olcsó, könnyen használható
Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek III. Egydimenziós impulzus Doppler (PD) • emisszió és detektálás időben szeparált→ azonos transzducer • előre beállított időablak (pozíció, hossz) → mért terület mélysége és kiterjedése szabályozható • eltérő sebességek a vizsgált elemben→ detektált jel frekvencia eloszlása → (frekvencia analízis: Fourier transzformáció) → Doppler frekvencia eltolódás spektrum • ha Θ ismert → sebesség spektrum meghatározható (de általában túl nagy a szög bizonytalansága) • Doppler görbe: Doppler-eltolódás/sebesség – idő függvény megjelenítése • speciális egydimenziós B-kép: Doppler-shift /vagy sebesség (tengely mentén) + VVT-k száma (fényesség) (ennek időbeli változása is ábrázolható – Doppler görbe másik típusa/Doppler spektrum)
Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek IV. Duplex megjelenítés • 2D B-kép és a Doppler görbe egyidejű megjelenítésa • színkódolt Dopplerrel kombinálva → triplex
Színkódolt Doppler • szürkeskálás 2D B-kép + Doppler információ • sebesség iránya és nagysága kódolva van
Ultrahang terápiás alkalmazásai High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) • • •
tumor lokalizálása (pl. B-módú UH képalkotással) tumor szövet roncsolása jól lokalizálható hőmérséklet emeléssel a szövetkárosodás kontrollálása a szöveti reflexió változásának a monitorozásával
Extracorporal Shockwave Lithotripsy (ESWL) • •
spektruma 100 kHz -1 MHz ~ 50 MPa akusztikus nyomáshullám (lökéshullám)
Mágneses rezonanciás képalkotás (MRI)
Dóczy-Bodnár Andrea 2011. október 17.
Az MRI az NMR alapjelenség speciális alkalmazása • • • •
Magok mágneses momentumait (1H atommagok) külső mágneses térben RF sugárzással gerjesztjük; a rendszerre jellemző rezonancia frekvenciákat és a hozzájuk tartozó spinek/mágneses momentumok relatív mennyiségét detektáljuk NMR jel!
Mi a speciális az MRI-ben? • NMR jelet képpé alakítjuk • mágneses tér gradiensek segítségével lokalizáljuk a jelet
Orvosi MRI: a főként vízben (és zsírban) megtalálható 1H atommagok biztosítják a jelet
Mágneses rezonanciás képalkotás (MRI)
N Bkülső 2 eltérő hely – különböző Bkülső, azaz különböző frekvencia
Hely a frekvencia alapján azonosítható
Lineáris mágneses tér gradiens
Bkülső (külső mágneses tér) MRI esetén:
(i) B0 homogén mágneses tér – mindig jelen van spinek rendeződése (ii) lineáris mágneses tér gradiensek – átmeneti időre kapcsolják be B0-al párhuzamos, de a tér adott irányában növekvő erősségű mágneses tér
Homogén mágneses tér (B0)
B0 + lineáris mágneses tér gradiens
3 H-t tartalmazó elem esetén (egyszerűsített példa, természetesen az egész fej tartalmaz „jelet”): • homogén tér 1 csúcs az NMR spektrumban • gradiens bekapcsolása egynél több jel, a gradiens irányától függően
Képalkotás alapjai
• • •
szelet térfogatelemek (voxelek) 2D projekció – pixel színe/árnyalata a mért paraméter aktuális értékétől függ
• nn pixel, felbontás a módszer érzékenységétől függ • 2D képek 3D rekontsrukció
Szeletkijelölés MRI-ben
• B0 merőleges a szelet síkjára • mágneses tér gradiens (szintén merőleges a kívánt szelet síkjára) és az Rf impulzus egyidejű alkalmazása (pl. 90º-impulzus) • csak a rezonancia feltételt teljesítő spinek gerjeszthetők– helyfüggő •szeletvastagság: gradiens meredeksége Rf impulzus sávszélessége
Back projection (visszavetítéses) MRI
Hagyományos impulzus szekvencia: • szeletkijelölés: Rf impulzus + szeletkijelölő gradiens (GS or Gz) • Gx és Gy lineáris kombinációja különböző irányú mágneses tér gradinesek az XY síkban (kijelölt szelet) jel/spektrum detektálása • jelek helyének lokalizálása
2D Fourier transzformációs eljárás
Gyakorlatban ezt alkalmazzák
90°
180°
szeletkijelölő gradiens fáziskódoló gradiens frekvenciakódoló gradiens
C. Boesch, Molecular aspects of medicine. 1999. 20: 185-31
1. A szeleten belül a homogén B0 mágneses térben az összes spin együtt precesszál
2. fáziskódoló gradiens → eltérő precessziós frekvencia az xtengely mentén
GΦ 3. fáziskódoló gradiens kikapcsolása → azonos precessziós frekvencia, de a fáziskülönbség megmarad
frekvenciakódoló gradiens bekapcsolása az y-tengely mentén → jel detektálása
Gf Ld. mellékelt pps file
Általános séma:
Letapogatás 128, 256, 512, 1024 stb. lépcsőben! Utána itt is egy lépcső váltás, majd GΦ ismétlése
n×n FID 2D FT n×n összetartozó frekvencia (hely) és amplitúdó (intenzitás) képalkotás • Inhomogenitás kiküszöbölése ekhó detektálása (180°-os impulzus és szeletkódoló gradiens egyidejű beiktatása GΦ után, detektálás az ekhó idejére időzítve) • különböző impulzusszekvenciák az alkalmazástól függően
MRI felbontása: Jel/zaj arány Képméret/pixelek száma; szeletvastagság: pixelszám nő, szeletvastagság csökken jobb felbontás de! túl nagy pixelszám, ill. kis szeletvastagság esetén nem lesz elegendő jelet adó spin jel/zaj arány romlik • T2: spin-spin relaxációs idő csökken felbontás csökken (rövidebb ideig van jel) • mintavételezés • •
Többszeletes képalkotás: • időmegtakarítás • impulzusszekvenciák közötti ismétlési időt a spin-rács relaxáció határozza meg (általában 0.4-1.8 sec várakozási idő) • ezalatt az idő alatt másik szeletet gerjesztenek
ν1 ν2
ν3
Az MRI kép kontraszt spin denzitás (ρ), T1 és T2 függő
Szövet
T1 (s)
T2 (ms)
ρ
CSF
0,8 - 20
110 – 2000
70 – 230
Fehér áll.
0,76 – 1,08
61-100
70 – 90
Szürke áll.
1,09 – 2,15
61 - 109
85 - 125
Izom
0,95 – 1,82
20 - 67
45 - 90
ρ= 111 - vízben oldott 12 mM Ni Cl2 esetén
Kontrasztozási lehetőségek az MRI-nél I. Belső kontraszt: különböző szövetek eltérő relaxációs ideje alapján detektálás és ismétlés megfelelő időzítése! Protondenzitás T1-súlyozott
A B A B A B
A B A MXY detektálás
T2-súlyozott
Példa: • hasonló 1H koncentráció • T1,A>T1,B • T2,A>T2,B rövid td hosszú ti
rövid td rövid ti
közepes td hosszú ti
T2,A T2,B
idő T1,B
MZ
T1,A
ismétlés
protondenzitás
T1
T2
idő
C. Boesch, Molecular aspects of medicine. 1999. 20: 185-31
Tumor detektálás
Damadian: Tumor T1 = 1.5 x (normal tissue T1) tumor
CT
T1 MRI
Vizsgált objektum mozgatása nélkül különböző irányú síkok vizsgálhatók
axiális (fej, angiográfia)
koronális (fej)
szagittális (térd)
Néhány speciális alkalmazás: • diffúziós MRI: random molekuláris mozgások (víz diffúziója) és a diffúziót akadályozó struktúrákkal való kölcsönhatások detektálása, kvantitatív jellemzése; diffúzió irányfüggése (szöveti rendezettség) • funkcionális MRI (BOLD – vér oxigénszinttől függő kontraszt, pl. agyi aktivitás nyomon követése)
• mágneses rezonancia spektroszkópia (MRS) – emberi test felületére helyezett tekercsekkel anyagcsere folyamatok nyomon követése a spektrumvonalak arányainak változása alapján • mágneses rezonancia mikroszkópia MRI vs. CT: MRI-ben nincs ionizáló sugárzás, lágy szövetek kontrasztozási lehetősége (spindenzitás és relaxációs idők alapján)
Véroxigénszint-függő MRI kontraszt (BOLD)
fMRI legismertebb formája Pl. agyi aktivitás vizsgálata Hemoglobin: oxigénnel telített formában diamágneses; oxigén nélkül paramágneses T2 súlyozott kép felvétele MR jel intenzitása függ a vér oxigénszintjétől magasabb oxigénszint → magasabb intenzitás (T2 hosszabb; nagyobb BOLD kontraszt) BOLD kontraszt: oxi- és deoxi-hemoglobin aránya véráramlás és az oxigénfogyasztás befolyásolja Kiegészítő anyag Washington Irving engedélyével
Mágneses rezonancia spektroszkópia (MRS)
Kiegészítő anyag
Mágneses rezonancia mikroszkópia (μMRI vagy MRM) • MRI kisebb mérettartományban • térbeli felbontás: ≤100 μm
3 Tesla, 37 °C
Kiegészítő anyag
9.4 Tesla, 37 °C
11.7 Tesla, 15 °C
J.M. Tyszka et al., Curr. Op. Biotechnol. 2005. 16: 93-99
