Physikalische h Grundlagen der B-Bild-Sonographie und neuer Techniken

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Justus Fiedler
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1 94. Deutschen Röntgenkongresses , 06 Congress Center Hamburg Physikalische h Grundlagen der B-Bild-Sonographie und neuer Techniken Klaus-V. Jenderka Hochschule Merseburg Fachbereich Ingenieur- und Naturwissenschaften Professur Version Physik, Sensor- und Ultraschalltechnik

2 Übersicht Ultraschallwellen und ihre Ausbreitung Bilderzeugung und Optimierung Grundlagen neuer Verfahren: Harmonic Imaging g g Fast Imaging Elastographie Zusammenfassung KVJ-HoMe

3 Was sind (Ultra-) Schallwellen? Voraussetzung: System gekoppelter Schwinger Bsp.: Fußball-Stadion Schwinger: Zuschauer Kopplung: mental Anregung: Tor KVJ-HoMe 2013 Ultraschallwellen und ihre Ausbreitung 3

4 Bsp: Kompressionswelle Schwinger: Moleküle, Fasern, Zellen,... Kopplung: Wechselwirkungskräfte, Bindungen Anregung: Ultraschallwandler (mechanischer Impuls) zeitlich und örtlich periodische Änderung von Druck und Dichte KVJ-HoMe 2013 Ultraschallwellen und ihre Ausbreitung 4

5 Pulsform und Bandbreite Dauerschall (cw) Burst Impulsschall (pw) elektr. Signal akust. Signal Zeit Zeit Zeit Spektrum KVJ-HoMe 2013 Frequenz Frequenz Ultraschallwellen und ihre Ausbreitung Frequenz 5

6 Phänomene der Wellenausbreitung Reflexion/Brechung Z 1 Z 2 Dämpfung Streuung Doppler-Effekt Nichtlinearität I 0 I 0 I R I D 1-R =D α(f) z r<<λ λ Interferenz KVJ-HoMe 2013 Ultraschallwellen und ihre Ausbreitung 6

7 Reflexion oder Streuung? Verhalten an Grenzflächen und Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge a < a > einfallende Welle Streuung Reflexion Welle frequenzabhängig frequenzunabhängig alle Richtungen gerichtet KVJ-HoMe 2013 Ultraschallwellen und ihre Ausbreitung 7

8 Frequenzabhängige Dämpfung p E p T p E e f) d p T d - Gewebetiefe α = α Absorption + α Streuung (+ α Beugung ) KVJ-HoMe 2013 Ultraschallwellen und ihre Ausbreitung 8

9 Impuls-Echo-Prinzip x c t mit t Laufzeit C 2 x Schallgeschwindigkeit Entfernung Tiefe 1 Tiefe 2 KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 9

10 Ultraschall-Signalverarbeitung (A-Mode) aktive Scan-Richtung Spannung HF-Echo-Signal t Spannung A-Linie t B-Linie i KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 10

11 Ultraschall-Signalverarbeitung (B-Mode) Schallkopf Scankonverter Monitor KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 11

12 Auflösungsvermögen Das räumliche Auflösungsvermögen beschreibt die Fähigkeit des Abbildungssystems, echoerzeugende Strukturen im Bild als separate Punkte darzustellen. elevativ axial axiales Auflösungsvermögen ö bestimmt durch: - Frequenz - Pulslänge lä laterales Auflösungsvermögen bestimmt durch: - Frequenz - Schallfeld (laterale Fokussierung) elevatives Auflösungsvermögen bestimmt durch: - Frequenz - Schallfeld (elevative Fokussierung) KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 12

13 Auflösungsvermögen und Eindringtiefe d kleinster auflösbarer Strukturabstand Auflösungs- vermögen 1/d 1/d Frequenz 1 MHz 10 MHz z Eindringtiefe z Frequenz 1 MHz 10 MHz KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 13

14 Verbesserung der lateralen Auflösung: Fokussierung c L < c G akustische Linse gekrümmte Keramik Multielementwandler KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 14

15 Dynamische Empfangsfokussierung Sendeapertur (z.b. 17 Elemente) 1. (z.b. 7 Elemente) 2. (z.b. 13 Elemente) 3. (z.b. 21Elemente) Empfangsapertur 1. Empfangsfokus Sendefokus 2. Empfangsfokus 3. Empfangsfokus KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 15

16 Optimierung der Bildqualität Wandlerbandbreite, Sendefrequenz Anzahl und Lage der Fokuszonen Ausgangs- bzw. Sendeleistung ( Power ) MI, TI Gesamtverstärkung ( Gain Gain ) Laufzeitabhängige Verstärkung ( TGC ) KVJ-HoMe 2013 Bilderzeugung und Optimierung 16

17 Entstehung von Harmonischen Zur Bildgebung werden die Harmonischen (Vielfache der Grundfrequenz) benutzt. Harmonische entstehen durch Nichtlinearitäten - bei der Ausbreitung von Schallwellen THI Tissue Harmonic Imaging - bei der Schallwechselwirkung an Ultraschall-Kontrastmitteln CHI Contrast Harmonic Imaging KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Harmonic Imaging 17

18 Nichtlineares Verhalten von Gewebe p + p: höhere Geschwindigkeit x - p: niedrigere Geschwindigkeit KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Harmonic Imaging 18

19 Nichtlinearitäten an Kontrastmittelbläschen Größe der Gasblase unter Normaldruck Schalldruck Schalldruck Zeit Zeit Radiusänderung Radiusänderung niedriger Schalldruck linear hoher Schalldruck nichtlinear KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Harmonic Imaging 19

20 Ultraschallkontrastmittel: Aufbau und Verhalten im Schallfeld stabilisierte Hülle (Albumin, Lipide) 10 µm 3 bis 4 Gasfüllung (Luft, Perfluorpropan, Schwefelhexafluorid) lineare Streuung g nicht-lin. Streuun Bubb ble -Zerstö örung Tis ssue Harm monic Low MI - Anwendungen MI p f 0 KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Harmonic Imaging 20

21 Harmonic Imaging - Prinzip Es werden nur die harmonischen Signalkomponenten zur Bildgebung genutzt Die Anteile der Grundfrequenz müssen unterdrückt werden. Verfahren: Frequenzfilter Grundfrequenz Harmonische Frequenz Pulse Inversion (PI) Power Modulation Power Pulse Inversion (PPI) Single Pulse Cancellation Contrast Pulse Sequencing (CPS) KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Harmonic Imaging 21

22 Beispiel: Pulse Inversion Amp plitude Frequenz Summe Linearer Streuer Amp plitude Frequenz Summe Mikroblase KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Harmonic Imaging 22

23 sequenzielle Aufnahme der Scan-Linien Bildrate (256 Linien bis 15 cm Tiefe): t =2 s/v 1/f Frame =256 t ca. 20 Hz Konventioneller B-Scan KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Fast Imaging 23

24 Schneller B-Scan ( fast imaging ) parallele Aufnahme aller Scan-Linien Bildrate (256 Linien bis 15 cm Tiefe): parallel senden separat empfangen t =2 s/v 1/f Frame = 1 t ca Hz KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Fast Imaging 24

25 Synthetic aperture imaging (SAI) - Prinzip Beispiel: synthetische sc e Apertur Punktreflektor 35 mm vor zentralem Element Abb. siehe: Cheung et al., IEEE Trans. UFFC, (2) 2012, s d Durch geeignete zeitliche Verschiebung der Echosignale kann auf jeden Punkt fokussiert werden. KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Fast Imaging 25

26 Elastische Eigenschaften biol. Gewebe Kompression K 10 9 Pa - für Gewebe fast konstant t - geringe Variabilität c p p K c p 1500 m/s p Scherung G Pa c s G - sehr heterogen für verschiedene Gewebe - starke Dämpfung für f > 1000 Hz c s m/s KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Elastographie 26

27 Strain Imaging - Prinzip Druckkraft (Schallkopf) x Verschiebung Dehnung ( strain ) ( Härte) z KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Elastographie 27

28 Shear wave elastography - Prinzip Bewegte Scherwellen-Quelle Mach scher Kegel für Scherwellen KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Elastographie 4 Mach 28

29 Beispiel: Scherwellen-Elastographie Abb. siehe: J. Bercoff, M. Tanter and M. Fink, IEEE Trans. UFFC, April 2004 KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Elastographie 29

30 Elastographie Externe Krafteinwirkung Erzeugung von Scherwellen Manuelle Gewebekompression Schallstrahlungskraft Externe Quelle Schallstrahlungskraft Einzelne Region Multiple Regionen Analyse Gewebe- Detektion der Scherwelle Echosignale Doppler ( Fast Imaging ) g Dehnung Dehnungs-Verhältnis Scherwellengeschwindigkeit (in m/s) Elastizitätsmodul ität l (kpa) KVJ-HoMe 2013 Grundl. neuer Verfahren Elastographie 30

31 Zusammenfassung (I) Auch Ultraschallwellen besitzen die charakteristischen Welleneigenschaften (Reflexion, Streuung, Interferenz, ). Das Ausbreitungsverhalten ist frequenzabhängig. Das axiale Auflösungsvermögen wird entscheidend durch die Frequenz und Bandbreite des Ultraschallpulses geprägt und... das laterale (und elevative) Auflösungsvermögen g durch Frequenz, Aperture und Fokussierung (Qualität des Beamformers).. KVJ-HoMe 2013 Zusammenfassung 31

32 Zusammenfassung (II) Neue Verfahren liefern Zusatzinformationen zum konventionellen Schnittbild Parameterbild. Grundlage neuer Verfahren ist die Erfassung der hochfrequenten Echosignale digitale Systeme. Nur die hochfrequenten Echosignale ( rf echo data ) beinhalten alle verfügbaren Informationen. Maximale Information: Simultane Erfassung der Echosignale an allen Wandlerelementen. Noch mehr Information? Mehr Elemente Matrix-Arrays KVJ-HoMe 2013 Zusammenfassung 32

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