Bildgebender Ultraschall in der Gynäkologie

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1 Bildgebender Ultraschall in der Gynäkologie Dr. techn. Christian Kollmann Institut für Biomedizinische Technik & Physik Universität Wien Technisches Ultraschall-Labor im AKH Wien Ebene 4L, Währinger Gürtel A Wien Tel : (+43.1) Fax: (+43.1) christian.kollmann@akh-wien.ac.at Internet : Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

2 Historische Entwicklung und Etablierung in der Medizin Der Österreicher Dussik war 1942 einer der ersten Mediziner, der den Ultraschall auch für medizinische-diagnostische Zwecke einsetzte Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

3 Was ist Ultraschall? Unter Ultraschall versteht man in der Akustik die Schallfrequenzen, die jenseits unseres Hörbereichs (0-16 KHz) liegen. Frequenzbereich des Ultraschalls d.h. 16 khz 1,6 GHz Ultraschall Hörschall Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

4 Was ist Ultraschall? Unter Ultraschall versteht man in der Akustik die Schallfrequenzen, die jenseits unseres Hörbereichs (0-16 KHz) liegen. Frequenzbereich, der medizinisch genutzt wird (Bildgebung, Therapie) 50 khz 150 MHz -> 1,6 GHz (Mikroskop) Medizinischer Ultraschallbereich Dieses entspricht Wellenlängen im Bereich zwischen 30,8 mm - 0,01 mm. Hörschall Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

5 Was ist Ultraschall? Ultraschall ist eine mechanische Druckwelle, die durch ein Medium periodisch wandert. Die Ausbreitung des Ultraschalls ist an ein Medium gebunden, d.h., es gibt keine Ausbreitung im Weltraum (wie z.b. bei Radiowellen) Wellenausbreitung λ = c = f ct Einheit : [ m ] Beispiel einer Longitudinalwelle c : Schallgeschw. f : Frequenz Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

6 Waves characteristics (general) wave propagation can be as transversal wave or shear wave (low velocity & high damping) particle displacement Wave movement longitudinal wave (cyclic compression & expansion) particle displacement and its velocity c is media-specific Wave movement Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

7 Waves characteristics (sinusoidal wave) A Wave period T ϕ ( t ) A time (t) phase of wave amplitude A = A sin( ω t + ϕ) 0 Dr. Christian Kollmann

8 Waves characteristics (sinusoidal wave) T f 1 = T unit : [ Hz ] time (t) T : wave period [s] determination of the wave period T and frequency f Dr. Christian Kollmann

9 Wie wird Ultraschall erzeugt? Effekt entdeckt von Curie ca Durch Nutzung des inversen piezoelektrischen Effektes können in bestimmten Kristallen und Keramiken bei Anlegung einer elektrischen Wechselspannung Ultraschallwellen erzeugt werden : Mögliche Materialien : Rochellesalz, Quarz, Keramiken (BaTiO 3 ) Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

10 Wie wird Ultraschall erzeugt? In der bildgebenden Ultraschalldiagnostik wird dazu ein Schallkopf verwendet. Dieser besteht aus bis zu 192 elektrisch einzeln angesprochenen Piezoelementen und erlaubt, die Ultraschallwelle gepulst oder kontinuierlich in den Körper mit einer entsprechenden Emissionsfrequenz einzubringen. Kontinuierliche Welle (cw) gepulste Welle (pw) Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

11 Generation of Ultrasound (emitted beam) 3-D beam! Circular vibrating plate x 2 D [ m 2λ ] : Near field or Fresnel zone x > 2 D [ m 2λ ] : Far field or Fraunhofer zone Dr. Christian Kollmann x = 2 D [m]:focal 4λ distance

12 Ultrasound beam characteristics (resolution) wave propagation in wave propagation : normal to wave propagation : δ ax = c f : axial resolution δ lat z0c Df 0 :lateral resolution D : aperture width z o : distance aperture - object f o : mean frequency c : sound velocity f : band width Dr. Christian Kollmann

13 Ultrasound beam characteristics (practical : 3-D beam) Example : linear-array transducer focal zone z : axial beam width x : slice thickness y : lateral beam width Dr. Christian Kollmann

14 Ausbreitung von Ultraschall Wechselwirkungen erfolgen an den Gewebegrenzen durch unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten und Gewebedichten (akustische Impedanz-Sprünge!) So läuft eine Ultraschallwelle z.b. in Weichgeweben mit ca m/s, in Knochen aber mit ca m/s (im Vergleich : Lichtgeschwindigkeit : m/s) Prozesse der Wechselwirkung mit der Ultraschallwelle sind : -Reflexion - Streuung - Brechung - Absorption Gewebe : inhomogener Körper März 2002, Dr. Christian Kollmann

15 Propagation of ultrasound in tissue (reflection) incident beam reflected beam Process of wave interaction : Reflection Z 1 Z 2 transmitted & refracted beam in general acoustic impedance Z of medium responsible for reflection Z = ρ c [Kg m -2 s 1 ρ : density [ kg m -3 ] c : velocity [m s -1 ] ] Dr. Christian Kollmann

16 Propagation of ultrasound in tissue (reflection) incident beam reflected beam Process of wave interaction : Reflection Medium 1 (Z 1 ) Medium 2 (Z 2 ) R Reflection coefficient (normal incidence) : R = Z Z Z Z R = reflected intensity incident intensity Dr. Christian Kollmann

17 Propagation of ultrasound in tissue (transmission) incident beam reflected beam Process of wave interaction : Transmission Medium 1 (Z 1 ) Transmission coefficient (normal incidence) : Medium 2 (Z 2 ) transmitted beam T T = transmitted intensity incident intensity T + R = 1 Dr. Christian Kollmann

18 Propagation of ultrasound in tissue (scattering) d Process of wave interaction : Scattering d << λ : omnidirectional scattering d = λ : forward / backward scattering d >> λ : reflection d : particle diameter λ : wave length Dr. Christian Kollmann

19 Propagation of ultrasound in tissue (refraction) incident beam Process of wave interaction : Refraction c 1 α Snell s law : sinα = 1 c 2 β sin β c2 c refracted beam α,β : angle of incident, refraction c x : sound speed [m s -1 ] Dr. Christian Kollmann

20 Propagation of ultrasound in tissue (refraction) Process of wave interaction : Refraction true location of object displayed location of object Dr. Christian Kollmann

21 Propagation of ultrasound in tissue (absorption) I o Process of wave interaction : Absorption I = I o e µ x I o : initial intensity Intensity (normalized) µ : intensity absorption coefficient [cm -1 ] x : depth [cm] absorption µ =α f n depth x [cm] α : attenuation constant f : frequency n : tissue specific constant (1 < n < 1.5) Dr. Christian Kollmann

22 Propagation of ultrasound in tissue (attenuation) Process of wave interaction : Attenuation penetration depth [cm] Wave attenuated with α in tissue Wave length [mm] I attenuation [db] = 10log I = 20log 0 x A A I 0,x : intensity A 0,x : amplitude 0 x specific coefficient in tissue : attenuation coefficient Frequency [MHz] 0.3 < α < 6 [db MHz -1 cm -1 ] Dr. Christian Kollmann

23 Sound wave velocity in materials (general) longitudinal wave Incident wave in solid bodies : c = E ρ E : modul of elasticity [ Pa ] ρ : density of material [ Kg m -3 ] moving body (compressed /expanded) in fluids : c = K ρ = 1 χρ K : modul of compressibility [ Pa ] χ : compressibility [ m 2 N -1 = Pa -1 ] Dr. Christian Kollmann

24 Sound wave velocity in materials (general) Medium Sound velocity [m/s] Air (20 C-37 C) Water (20 C-37 C) Blood Fat Liver Kidney 1564 Spleen Brain Bone Muscle The propagation of ultrasound is material-specific : an ultrasound wave is travelling in tissues and liquids with ca m/s, butin bones with ca m/s (in comparison : light speed : m/s) Dr. Christian Kollmann

25 Wie entsteht ein Ultraschallbild? Reflexion der emittierten Schallwelle an Gewebegrenzen Im Gerät : Bewertung der Echohöhe & -tiefe aus der Echo-Amplitude und Echo-Laufzeit März 2002, Dr. Christian Kollmann

26 Wie entsteht ein Ultraschallbild? A-Bild (A-Mode) oder Amplitudenhöhendarstellung Kodierung der Amplitudenhöhe in einen Grauwert bei der entsprechenden Tiefe Tiefenposition Oberfläche 2 cm 4 cm 6 cm 8 cm B-Bild (B-Mode) oder Grauwertverfahren März 2002, Dr. Christian Kollmann

27 Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken 3D / 4D - Ultraschall Diese Technik wird angewendet, um : - Volumen, Winkel, Distanzen zu messen & darzustellen - willkürliche Schallebene darzustellen (die nicht mit 2D möglich wären!) - Organe oder Oberflächen abzubilden (Render Mode) März 2002, Dr. Christian Kollmann

28 Clinical imaging techniques (3D / 4D-Mode with a special transducer) - internal stepper motor changes the scan plane inside the transducer (KretzTechnik, A) - the scanned volume has a pyramidal form that can be visualized in arbitrary angles - a special niche mode can be displayed that allows the observer to cut arbitrary planes within this volume and that are perpendicular to each other (90 ) Dr. Christian Kollmann

29 Clinical imaging techniques (3D-Mode free-hand procedure ) - a positioning device is attached on a normal 2D-US probe/ transducer - the probe is moved freehand along the observed patient s region - the 2D-US images and the trakking information is used to calculate a volume image Dr. Christian Kollmann

30 Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken Doppler - Ultraschall - rel. Bewegung von Schallquelle & Empfänger (Christian Doppler 1843) Schallquelle kommt herbei Schallquelle entfernt sich für Hörschall : Detektion einer höheren Schallfrequenz f bzw. kleineren Wellenlänge λ März 2002, Dr. Christian Kollmann tieferen Schallfrequenz f bzw. grösseren Wellenlänge λ

31 Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken Doppler Ultraschall (Darstellung dynamischer Prozesse) - rel. Bewegung der roten Blutzellen (oder Kontrastmittel) zum Schallkopf f R Blutgefäss θ f m v resultiert in einer detektierten Doppler Shift Frequenz f : f = f f R m = v 2 fm cos( θ ) c aus welcher die am Messort gemittelte Blutflussgeschwindigkeit v berechnet werden kann : f R : empfangene Frequenz [ Hz ] f m : transmittierte Frequenz [ Hz ] v : Blutgeschwindigkeit [ cm s -1 ] c : Schallgeschwindigkeit [cm s -1 ] θ : Winkel zw. transmittierter Welle & Blutgefäss ( Dopplerwinkel ) v = 2 f cos( θ ) März 2002, Dr. Christian Kollmann f m c

32 Informationsgehalt des Dopplerspektrums I Doppler Ultraschall (Darstellung dynamischer Prozesse) - V max : maximaler Geschwindigkeitsverlauf - V mode : zeitl. Verlauf der am häufigsten vertretenen Geschwindigkeit - V min : maximaler Geschwindigkeitsverlauf Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

33 Informationsgehalt des Dopplerspektrums II Doppler Ultraschall (Darstellung dynamischer Prozesse) - V mean : zeitl. gemittelter Geschwindigkeitsverlauf, auch TAV mean (time averaged) genannt Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

34 Informationsgehalt des Dopplerspektrums III Doppler Ultraschall (Darstellung dynamischer Prozesse) - V mean : zeitl. gemittelter Geschwindigkeitsverlauf, auch TAV mean (time averaged) genannt - TAV max : zeitl. gemittelter max. Geschwindigkeitsverlauf Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

35 Informationsgehalt des Dopplerspektrums IV Doppler Ultraschall (Indices) RI = v sys ( + peak) v v dia dia ( ( peak) peak) Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

36 Informationsgehalt des Dopplerspektrums V Doppler Ultraschall (Indices) PI = v sys ( + peak) v TAV max dia ( end) Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

37 Informationsgehalt des Dopplerspektrums VI Doppler Ultraschall (Indices) RATIO = v sys v ( + dia peak) ( end ) oder v v sys ( end ) ( + peak) dia Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

38 Informationsgehalt des Dopplerspektrums VII Doppler Ultraschall (Indices) PPI = v sys ( + peak) v TAV dia max ( peak) Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

39 Klinische Anwendungen des Ultraschalls (Bildgebung) kommerzieller Gerätepool März 2002, Dr. Christian Kollmann

40 Modern Equipment technology : Portable & wire-less US equipment II Examples : Micros Q.V. (Carolina Medical, USA) Terason 2000 (TeraTech Corp., USA) Dr. Christian Kollmann

41 Modern Equipment technology : Portable & wire-less US equipment III Examples : Sonosite 180 (Sonosite/ATL, USA) Mysono 201 (Medison, Korea) Dr. Christian Kollmann

42 Klinische Anwendungen des Ultraschalls (Bildgebung) Je nach medizinischer Anwendung gibt es unterschiedliche Schallkopfformen : vaginaler Schallkopf rektaler Schallkopf 3D-Abdomen Schallkopf Transösophagealer Schallkopf März 2002, Dr. Christian Kollmann

43 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Kopf / Gehirn / Augen 5 cm Fehlbildungen raumfordernde Prozesse Hirnblutungen und Tumoren Durchblutungen 5 cm März 2002, Dr. Christian Kollmann fötaler Kopf

44 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Herz Fehlbildungen Funktionsdiagnostik Tumoren, Bypass Rhythmusstörungen interventionelle Techniken Wandbewegung ( Stress-Echo ) März 2002, Dr. Christian Kollmann

45 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Herz Fehlbildungen Funktionsdiagnostik Tumoren, Bypass Rhythmusstörungen interventionelle Techniken Mitrale Insuffizienz März 2002, Dr. Christian Kollmann

46 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Gynäkologie & Geburtshilfe Frühe Schwangerschaftsdiagnostik Tumoren, raumfordernde Prozesse Fehlbildungen Organanatomie & Pathologie Flussuntersuchungen Fluss im Uterus März 2002, Dr. Christian Kollmann

47 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Gynäkologie & Geburtshilfe Frühe Schwangerschaftsdiagnostik Tumoren, raumfordernde Prozesse Fehlbildungen Organanatomie & Pathologie Flussuntersuchungen Tumor im Uterus März 2002, Dr. Christian Kollmann

48 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Gynäkologie & Geburtshilfe Fötale Vaskularisation Frühe Schwangerschaftsdiagnostik Tumoren, raumfordernde Prozesse Fehlbildungen Organanatomie & Pathologie Flussuntersuchungen Nabelschnur März 2002, Dr. Christian Kollmann

49 Clinical applications of Power Dopper (Angio mode &Velocity) Zoomed image of fetal head The high sensitivity of Directional Color Angio allows visualization of the entire pericallosum artery with branches (Toshiba) Directional Color Angio combined with conventional PW-spectral Doppler (Toshiba) Dr. Christian Kollmann

50 Clinical applications of Harmonic Imaging normal (Siemens) Tissue Harmonic Imaging Dr. Christian Kollmann

51 Clinical applications of Harmonic Imaging II Dr. Christian Kollmann Tissue Harmonic Imaging (right, Toshiba) 4-chamber view

52 Clinical applications of Harmonic Imaging III (with UCA) Tissue Doppler (Harmonic) Imaging heart systolic / diastolic(left /right) (Toshiba) TDI combined with M-mode Dr. Christian Kollmann

53 Clinical applications of Harmonic Imaging IV (Intermittent / Flash echo) Dr. Christian Kollmann Normal perfusion of the myocardium using Levovist as contrast Agent (Toshiba)

54 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Gynäkologie & Geburtshilfe Frühe Schwangerschaftsdiagnostik Tumoren, raumfordernde Prozesse Fehlbildungen Organanatomie & Pathologie Flussuntersuchungen 1. SSW (Ei und Yolk-Sack) Fötus 9. SSW Zwillingsschwangerschaft März 2002, Dr. Christian Kollmann

55 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Gynäkologie & Geburtshilfe Frühe Schwangerschaftsdiagnostik Tumoren, raumfordernde Prozesse Fehlbildungen Organanatomie & Pathologie Flussuntersuchungen Geschlecht März 2002, Dr. Christian Kollmann Lippen-Gaumenspalte Vergleich Ultraschall / Foto

56 Clinical imaging applications (3D-Mode) - fetal skeleton frighting fetus - kind of pregnancy & sex - twins (16. week) triplets (12. week) fetal gender - maldeformation & disorders - fetal fingers Comparison - 3D-US / newborn (lip cleft) Dr. Christian Kollmann

57 Klinische Anwendungen des Ultraschalls Gynäkologie & Geburtshilfe Frühe Schwangerschaftsdiagnostik Tumoren, raumfordernde Prozesse Fehlbildungen Organanatomie & Pathologie Flussuntersuchungen Fötale Ohren Fötales Skelett März 2002, Dr. Christian Kollmann Fötale Hand mit Fingern

58 Clinical imaging applications (4D-Mode, Kretz; 3-Scape, Siemens) - real-time (16 fps) display of 3Drendered fetal shape (Kretz Technik) Dr. Christian Kollmann

59 Sicherheit und Risiken der Ultraschallanwendung Der Ultraschall ist eine sichere Bildgebungsmethode und bislang sind keine negativen Effekte an Patienten für die diagnostischen Verfahren festgestellt worden. Folgendes sollte jedoch bei der Applikation beachtet werden : B-Mode : 3D/4D nicht kontraindiziert, keine Einschränkungen Doppler : Therapie : (für hohe Leistungen) geringst mögliche Leistung & Einsatzzeit verwenden, sofern die diagnostische Information nicht beeinträchtigt wird (prudent use). Minimierung der Schallexposition an einem Gewebepunkt. potentiell gefährlich durch hohe Energieeinträge (Erwärmung & mechanische Effekte). Gewebezerstörung! März 2002, Dr. Christian Kollmann

60 Heard melodies are sweet, but those unheard are even sweeter Ode on a Grecian Urn John Keats 1819 März 2002, Dr. Christian Kollmann