Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie. Sonographie

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1 1 Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie Sonographie PD Dr. Frank Zöllner Sonografie Anwendung von Sonongrafie Geschichte Physikalische Grundlagen des Schalls Bildgebung & Darstellungsmethoden Doppler-Sonografie Anwendungen in der Medizin PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 221 I Datum Seite 1

2 2 Anwendungen von Sonografie Sonografie, auch Echografie oder Ultraschall genannt, ist die Anwendung von Ultraschall als bildgebendes Verfahren PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 222 I Datum Anwendung von Sonografie (2) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 223 I Datum Seite 2

3 3 Geschichte der Sonografie 1880 Entdeckung piezoelektrischer Effekt, Gebr. Curie Um 1900 erste Versuche zum Echolot (A. Brehm, M Richardson (Patent zur Ortung von Unterwasserhindernissen)) Anfänge im militärischen Bereich Paul Langevin: Ortung von U-Booten Sonar 1942 erste medizinische Anwendung durch Karl Dussik (Neurologe) Messung des Seitenventrikels im Großhirn Hyperfonografie Danach Weiterentwicklung in versch. Fachgebieten 1959 erste Anwendung des Doppler-Prinzips 1980 farbkodierte Dopplerdarstellung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 224 I Datum Physikalische Grundlagen - Ultraschall Mechanische Welle (Dichte oder Druckwelle) Ausbreitung an Materie gebunden Welleneigenschaften abhängig vom Material i.a. Transversal und Longitudinale Welle in Gasen und Flüssigkeiten nur Longitudinalwelle biologisches Gewebe wird als zähe Flüssigkeit angenommen PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 225 I Datum Seite 3

4 4 Physikalische Grundlagen - Ultraschall Typischer Frequenzraum : 20 Hz 1 GHz Jenseits des menschl. Hörens Diagnostische angewandte Frequenzen: 2-20 MHz PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 226 I Datum Dolorme und Debus, Ultraschalldiagnostik, Hippokrates 1998 Physikalische Grundlagen - Ultraschall Wellenlänge US Welle Abhängig von der Schallgeschwindingkeit Abhängig von der Frequenz Schallgeschwindigkeit ist nicht konstant wie bei Röntgenstrahlen! Schallgeschwindigkeit Kompressibilität Dichte der Materie PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 227 I Datum Seite 4

5 5 Schallgeschwindigkeiten PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 228 I Datum Physikalische Grundlagen - Wechselwirkungen Wechselwirkungen zwischen Materie und Ultraschallwelle Folgen im wesentlichen den Gesetzen der Optik Dolorme und Debus, Ultraschalldiagnostik, Hippokrates 1998 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 229 I Datum Seite 5

6 6 Wechselwirkungen - Reflexion Einfallende US Wellen werden Reflektiert Transmittiert Reflektiertes Signal wird für die Bildgebung genutzt Intensität der einfallenden Welle teilt sich auf Interface Tissue 1 Tissue 2 Dolorme und Debus, Ultraschalldiagnostik, Hippokrates 1998 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 230 I Datum Wechselwirkung Reflexion (2) Impedanz Widerstand einer Materie bei der Durchdringung Je größer der Unterschied der Impedanz zweier Medien, desto mehr Reflexion Reflexionskoeffizienten Sollte groß sein an der Grenzfläche des Organs Gering auf dem Weg dorthin PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 231 I Datum Seite 6

7 7 Impedanz - Beispiele Material ρ in g/cm 3 c in m/s Z in g/cm 2 s Air Water (20 C) *10 5 Fat *10 5 Muscle *10 5 Brain *10 5 Bones *10 5 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 232 I Datum Reflektionskoefficient R Prozent der Intensität die reflektiert wird für US Bildgebung sollte groß sein an der Grenzfläche des Organs gering auf dem Weg dorthin PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 233 I Datum Seite 7

8 8 Wechselwirkung Transmission Analog zur Reflexion Transmissionskoeffizient T PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 234 I Datum Beispiel sound wave travels from soft tissue to muscle tissue, what is R and T? Material ρ in g/cm 3 c in m/s Z in g/cm 2 s Air Water (20 C) *10 5 Fat *10 5 Muscle *10 5 Brain *10 5 Bones *10 5 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 235 I Datum Seite 8

9 9 Wechselwirkungen - Interferenz Überlagerung von Wellen Verstärkung, wenn Phasenverschiebung um grade Vielfaches von λ/2 Auslöschung, wenn Phasenverschiebung ungerades Vielfaches von λ/2 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 236 I Datum Wechselwirkung - Brechung Schräg auftreffende Strahlen werden gebrochen und reflektiert Übergang für c1 < c2: vom Lot weg gebrochen Übergang c1 > c2: zum Lot hin gebrochen An gekrümmten Oberflächen Fokussierung oder Defokussierung Brechungsinde x PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 237 I Datum Seite 9

10 10 Wechselwirkung - Streuung Raue, nicht senkrechte Grenzflächen erzeugen Streuung Reduzierung der Reflexion Aber: z.t. kann Echo registriert werden Streuung erzeugt charakteristische Signale an den Grenzflächen Unterscheidung von Gewebetypen möglich PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 238 I Datum Reflexion, Brechung und Streuung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 239 I Datum Seite 10

11 11 Wechselwirkungen - Absorption Dämpfung abhängig von: Streuung Innere Reibung Wichtig für die gewünschte Eindringtiefe! Anregung innere Freiheitsgrade (Molekülrotation, -schwingung) Energie der Schallwelle wird in Wärme umgesetzt nimmt exponentiell mit der Entfernung vom Schallkopf ab (längs der Ausbreitungsrichtung) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 240 I Datum Wechselwirkung Absorption (2) Dämpfung (p) des Schalls größer je länger der zurückgelegte Weg (z) je größer die Materialkonstante (α) je höher die Frequenz (f) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 241 I Datum Seite 11

12 12 Wechselwirkungen Absorption (3) µ abhängig von Frequenz und Gewebe linearer Zusammenhang für biologisches Gewebe ca. 1 db/ MHz cm (Leber, Niere, Gehirn) 4 10 db/ MHz cm (Knochen kompakt) db/ MHz cm Schallabsorption legt im Ultraschall Messfrequenz fest Kurze Wellenlängen -> gute Ortsauflösung Große Wellenlängen -> hohe Eindringtiefe PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 242 I Datum Wechselwirkung - Beugung Begrenzung von Strahlenbündeln führt zur Beugung bei kreisförmigen Durchmesser: Aufweitung in der Ultraschalldiagnostik, schmale Schallbündel quer zur Ausbreitungsrichtung, rascher Intensitätsverlust wenig Intensitätsverlust und Aufweitung in Längsrichtung Einsatz von akustischen Linsen Fokus f im Abstand von Trennung Nah- und Fernfeld PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 243 I Datum Seite 12

13 13 Schallfeldeigenschaften Quelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin Längenskala: D Durchmesser Wandler λ Wellenlänge US Schallfeld als Überlagerung von Kugelwellen nach dem Huygenschen Prinzip PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 244 I Datum Schallfeld eines runden Wandlers Schallfeld eines ebenen runden Wandlers, f=4mhz, D=10mm, c=1500 m/s (Wasser) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 245 I Datum Seite 13

14 14 Schallfeldcharakteristik Die Schallfeldcharakteristik beschreibt, welche Form der Ultraschall hat Wichtig dabei: Fokussierung Je kleiner der Strahl, desto besser die Detailerkennbarkeit Fokussierung über aktustische Linse PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 246 I Datum Auflösung lateral Quelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin Längenskala: D Durchmesser Wandler λ Wellenlänge US für 1<N<2 gilt: d = D/3 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 247 I Datum Seite 14

15 15 Auflösung axial PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 248 I Datum Quelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin Eindringtiefe vs. Ortsauflösung im Muskel PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 249 I Datum Seite 15

16 16 Erzeugung von Ultaschallwellen Ultraschallkopf oder Sonde Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts Sender und Empfänger in einem Bauteil PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 250 I Datum Piezoelektrischer Effekt Senden Kristalle schwingen mechanisch, wenn elektrische Wechselspannung anliegt Erzeugung von Schwingungen / Schallwellen Empfangen Mechanische Spannung erzeugt eine elektrische Polarisation Erzeugung von elektrischer Spannung Durch Vibration des Materials, Erzeugung von Wechselspannung PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 251 I Datum Seite 16

17 17 Piezoelektrischer Effekt (2) PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 252 I Datum Aufbau eines Schallwandlers PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 254 I Datum Quelle: Einführung in die Medizinphysik, Dieter Suter, TU Dortmund Seite 17

18 18 Bildgebung Kurze, gerichtete Schallwellen Echogenität (unterschiedliche Reflexion) Laufzeit der unterschiedlichen Schallwellen Rekonstruktion der Strukturen Geringe Echogenität = Schwarze Bildpunkte Hohe Echogenität = weiße Bildpunkte PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 255 I Datum Bildgebung Echo-Implus-Verfahren PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 256 I Datum Dolorme und Debus, Ultraschalldiagnostik, Hippokrates 1998 Seite 18

19 19 Darstellungsmethoden A-Mode Amplitudenmodulation Echo wird als Diagramm dargestellt X-Achse: Eindringtiefe Y-Achse: Echostärke Heute nahezu keine Bedeutung mehr PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 257 I Datum Darstellungsmethoden B-Mode Brightness modulation Echointensität als Intensitätssignal des Bildes bei bewegtem Wandler werden Echozeilen ortsrichtig angeordnet M-Mode (time) motion Darstellung der Bewegung des Gewebes ortsfester Wandler PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 258 I Datum Dolorme und Debus, Ultraschalldiagnostik, Hippokrates 1998 Seite 19

20 20 Darstellungsmethoden PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 259 I Datum Dolorme und Debus, Ultraschalldiagnostik, Hippokrates 1998 Scanverfahren PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 260 I Datum Seite 20

21 21 Ultraschallkopf Unterscheiden sich durch die Anordnung der Piezoelemente Unterschiedliches Schallfeld PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 261 I Datum Elektronische Scanner Linear Array Reihenförmige Anordnung von Einzelwandler Gruppe von n Elementen werden zur Aufnahme verwendet Hinzu- und Abschalten eines Elements am Rand Array wird um Rastermaß a E verschoben Bild um Zeilenmaß a Z verschoben PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 262 I Datum Seite 21

22 22 Elektronische Scanner Convex Array gebogene Anordnung von Einzelwandler Hinzu- und Abschalten eines Elements am Rand meist größere Gruppe daher Randstand von ½ Gruppenbreite PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 263 I Datum Elektronische Scanner Phased Array sektorförmige Abtastung kleine Anzahl von Einzelwandler alle Elemente sind gleichzeitig aktiv elektronischer Schwenk des Sende und Empfangsfeld zeitlich versetzte Anregung der Arrayelemente geschwenkte Wellenfront PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 264 I Datum Seite 22

23 23 Elektronische Scanner Typische Werte Anzahl Elemente Linear Array Convex Array Phased Array > Gruppenbreite Frequenz ,5 7,5 MHz 2 7 MHz PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 265 I Datum Fokussierung Krümmung oder akustische Linse bei Einzelwandlern Arrays: elektronische Verzögerung unterschiedliche Laufzeiten des Schalls im Gewebe Elemente des Arrays nehmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten Signal auf PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 266 I Datum Seite 23

24 24 Darstellungsmethoden Dopplersonografie Ausnutzung des Dopplereffekts Dopplereffekt Veränderung der wahrgenommenen oder gemessenen Frequenz von Wellen jeder Art, während sich die Quelle und der Beobachter einander nähern oder voneinander entfernen, sich also relativ zueinander bewegen. PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 267 I Datum Doppler-Effekt Christan Doppler ( ) Sagte Doppler Effekt vorraus ( Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels ) Christoph Buys-Ballot ( ) Beweis des Doppler-Effekts für Schall mittels Trompeter Sir William Huggins ( ) Sternenbewegung mittels Doppler- Effekt PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 268 I Datum Seite 24

25 25 Darstellungsmethoden US-Doppler Anwedungen Vaskulärmedizin Herztöne von ungeborenen Kinder Gewebebewegungen Blutflußmessung Detektion des Echos der Erythrozyten Durch Dopplereffekt Verschiebung der Frequenz PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 269 I Datum Darstellungsmethoden US Doppler Continuous Wave Doppler (CW-Doppler) Sender und ein Empfänger im Schallkopf gleichzeitig und kontinuierlich Spektrum der Dopplerfrequenzen bzw. Geschwindigkeiten und auch die Richtung bestimmen Pulsed Wave Doppler (PW- Doppler) Ortsselektive Geschwindigkeitsmessung im konventionellen (B-Mode-) Sonogramm Gate, definiert Meßbereich PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 270 I Datum Seite 25

26 26 Darstellungsmethoden US Doppler PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 271 I Datum Darstellungsmethoden - Farbdoppler Mitralklappeninsuffizienz PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 272 I Datum Seite 26

27 27 Darstellungsmethoden - Farbdoppler Karotisstenose Doppler des Herzgewebes PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 273 I Datum 3D Ultraschall Aufnahme vieler B-mode Bilder Ultraschallwellen werden dazu in verschiedenen Winkeln gesendet Position des Ultraschallwandlers wird registriert Computer rekonstruiert 3D Volumen ähnlich zum CT Alternativ 3D Ultraschallköpfe PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 274 I Datum Janet Cochrane Miller, MGH, USA Seite 27

28 28 Kontrastmittelverstärkter Ultraschall (CEUS) Ultraschallkontrastmittel spezielle Reflexionseigenschaften meist gasgefüllte Microbubbles verändert die Echogenität ungezieltes CEUS allgem. Kontrastmittel gezieltes CEUS Microbubbles binden an Zielstrukturen Angelelli et al., Computers & Graphics 2011 PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 275 I Datum High-intensity focused ultrasound (HIFU) Hypertermieverfahren nutzt Wärme zur Therapie Ultraschallwellen werden mit hoher Intensität auf ein Gewebe fokussiert hohe lokale Absorption erzeugt Wärme u.a. kombiniert mit MRT oder klassischer Sonographie für die Diagnostik und Planung des Eingriffs PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 276 I Datum Seite 28