Ultraljudsteknik och fysik

Transkript

1 Ultraljudssystem Ultraljudsteknik och fysik TBMI Marcus Ressner IMT, Linköpings universitet års utveckling De viktigaste komponenterna Schematisk bild av en ultraljudsscanner Oscillator klocka Pulsgenerator, effektförstärkare T/R switch Givare Förförstärkare mottagning (lågbrusig) TGC Beamformer Pre-processing system Scan converter Post-processing system Display enhet Givare T/R Switch Effekt Förstärkare LNA Beamformer Analog - CW CW Doppler Processing Beamformer Sändning TGC Pulsgenerator Beamformer Mottagning Pre-processing Scan Conversion Post- Processing Högtalare Display 1

2 3D rekonstruktion av kärlträd Mappning Ejektionsfraktion (EF) Akustisk modell av ett medium 2

3 Akustisk modell av ett medium Ljudhastighet i olika material Våglängd x frekvens = konstant OBS! Partiklarna bara svänger fram och tillbaka Kompressionerna rör sig i utbredningsriktningen Expansionerna åt motsatt håll Förutsätter låg amplitud! Icke biologiskt Luft 0 gr 331 m/s Vatten 37 gr 1510 Plexiglas 2670 Mässing 4430 Biologiskt Fett 1450 Blod 1570 Lever 1549 Muskler 1585 Akustisk impedans Def: Ljudtryck per partikelvolymshastighet Konstant för ett och samma material Z = ρ x c [Pa s/m] ρ = densitet C = ljudhastighet <c> = 1540 m/s Reflektion Akustisk impedans Den akustiska impedansen beskriver hur svårt det är för partiklarna (volymselementen) att röra sig Akustiska impedansen är produkten av ljudhastighet och densitet, d. v. s. beror också på densitet och elasticitet Z1 Z2 P i x=0 P t x-axel Pr Skillnaden i akustisk impedans mellan två material bestämmer hur mycket som transmitteras eller reflekteras R = Z2 -Z1 Z1 + Z2 Reflektionskoefficienten 3

4 Akustisk impedans Akustisk impedans R = T = φ i φ t Z 2 cosφ i -Z 1 cosφ t Z 1 cosφ i + Z 2 cosφ t 2 Z 2 cosφ i Z 1 cosφ i + Z 2 cosφ t Icke biologiskt Luft 0 gr 0,0004 Vatten 37 gr 1,48 Plexiglas 3,20 Mässing 38,0 Biologiskt Fett 1,38 Blod 1,61 Lever 1,65 Muskler 1,70 Skallben 7,8 Givare Givartaxonomi Oxymoron: Linear Curved Array Linear array, Phased linear array Convex array, Curved array, Curved Linear array Phased array, Linear phased array Kvarts Bly-sirkonat-titanat (PZT) PVDF (polyvinyldiflourid) Vad syftar begreppen linear och phased på? Linjär och/eller fasstyrd Bildmoder I Givargeometri Vågforms generering Linjär excitation Linear array Fasstyrd excitation Curved array 4

5 Bildmoder II B-mode (2D gray scale) A-mode B-mode M-mode Ultraljudsfältet Fasning Närfält T Fjärrfält Huygens vågprincip d T = (d/2) 2 / λ φ Diffraktionsvinkeln: φ = 1.22 λ / d Styrning av strålen Fokusering 5

6 Fokusering Dynamisk fokusering OBS! Dynamisk fokusering sker på mottagningssidan Lateral upplösning Axiell upplösning Hur uppkommer speckle? Analogi x(t) h(t) y(t) = h(t) * x(t) Specklekornen är i samma storleksordning som upplösningen hos det bildgivande systemet! h(t) motsvaras av point spread function 6

7 Dämpning Dämpningens effekt på mottagen signal Orsak: två faktorer Friktion Spridning Effekter Beror på vävnadstyp Beror av frekvens Dynamiskt område: 1 till 1: ! Motsvarar 120 db A/D-omvandlaren behöver 120/6=20 bitars upplösning... vid MHz Idag kan man få bitars omvandlare för 40 MHz för några dollar/styck... med effektförbrukning på en dryg W/styck RF linje Dämpningens effekt på mottagen signal Tid / djup Förändring av frekvens vid rörelse Amplitud korr. Bilens hastighet: 70 km/time ~ 6% av ljudhastighet TGC: Time Gain Compensation Tid / djup 1/12 En halvton i 12-tonsskalan: 2 = 5.94 % Endring i frekvens: 6% + 6% = 12 % Medicinsk Dopplergeometri 2 - Dopplerskift Mottagaren (reflektorn/spridaren) som rör sig från givaren Sändaren (i detta fallet spridaren) som rör sig från mottagaren. f D 2fv s cosθ = c Ultraljud och rörelse Spektraldoppler Färgdoppler Effektdoppler (power Doppler) Transit time Motion mode (M-mode) Vävnadsdoppler Harmonic power Doppler Pulse inversion power Doppler 7

8 Dopplermodaliteter i sjukvården Spektraldoppler CWD/PWD Färgdoppler PWD Kliniska applikationer Triplex imaging Duplex Vävnadsdoppler PWD Effektdoppler PWD Duplex Duplex CWD - Kontinuerlig Doppler CWD - System & Output Utsänd signal x () t = ξ cos( ω t) t t s Mottagen signal ([ ] 1) x () t = ξ cos ω + ω t+ θ R s s d A. Jensen, Estimation of Blood Velocities using Ultrasound, 1999 Sonogram Bandpass filtrering In-Phase / Quadrature Demodulation 8

9 Flödesriktning PW - Pulsad Doppler π ω D < 0 qt ( ) är förskjuten före i(t), vriktning från proben 2 Sample djup CWD PWD Double transducer CW recieve Single transducer PW Kan mäta höga hastigheter transmit Range cell Maxhastigheten begränsas av prf ø Artery ø Aliasing Velocity profile, v Observation region in overlap of beams Signal från alla spridare i ultraljudsfältet Signal från en begränsad sampelvolym Utbredningseffekter Är det möjligt att detektera ett Dopplerskift i ett pulsat system? Utbredningseffekter Är det möjligt att detektera ett Dopplerskift i ett pulsat system? V [m/s] Doppler skift [Hz] Attenueringen är frekvensberoende Vävnad Attenuering [db/[mhz cm] Lever Njure Fett Blod Ben Br = fv s cosθ fd = c c = 1550 [m/s] v = 0.5 [m/s] fs = 3.0 [MHz] Br = 0.06 D = 8 cm 9

10 Pulsat Doppler System Aliasing PW Doppler CFI & TDI CFI Färgkodad hastighet Pulsed Doppler Colour Doppler FFT Autokorrelation (4CH) septum (4CH) septum Carotis Navelsträng Fasskiftsestimering Fasskiftsestimering Signalbehandlings steg för CFI och TDI 10

11 Fasskiftsestimering Angle dependence in color Doppler Im Q(i) dφ φi φ ω = dt T prf i 1 Q(i-1) tan(φ i φ i-1 ) φ(i) I(i) φ(i-1) I(i-1) Re v = - (c / 2*pi*f0*2*Tprf ) * arctan (Im(R(1))/Re(R(1))) R(1) = ( 1 / Nl - 1 ) * sum(conj(r(n))*r(n+1)) ; n = 0 - (Nl - 2) Power Doppler Color Doppler energy Amplitude Doppler sonography Color amplitude imaging Ultrasound angiography Power Doppler Pulsad Doppler Power Doppler Cut off freq Power Doppler - CFI Endast skillnader i mjukvara v a ~ v b Cut off freq Power Doppler Tissue Doppler Imaging Okad känslighet, högre gain Mäta små flöden ~ perfusion Vinkel oberoende Inga vikningsartefakter Saknar hastighetsinformation Ingen flödesriktning 11

12 Tissue Velocity Imaging Wall motion quantification Strain rate Curved M-mode Tissue velocity Strain rate Curved M-mode L v 1 v 2 SR Moving upward Moving downward Systole Early relax. Atrial systole v v1 SR = L 2 Shortening No change Elongation Systole Early relax. Atrial systole 12