bildgebender ultraschall (u/s) (sonographie) file3 / 100 gepulste ultraschalltechnik 1914 –...
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Sonar als Folge der Titanic
1912
– Titanic versinkt
– Meteorologe Lewis Richardson
erhält erstes Sonar-Patent
Sonar (=sound navigation and ranging)
1914
– Erstes brauchbares Gerät des
Kanadiers Reginald Fessenden
– Kann Eisberge auf
2 Meilen Distanz erkennen
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Gepulste Ultraschalltechnik
1914
– Physiker Paul Langévin (*1872 - 1946)
und Constantin Chilowsky wenden Röhren zur Verstärkung
– „Hydrophon“ als erstes hoch verstärkendes Ultraschall-Echo Gerät
1916
– Erste Ortung eines U-Bootes im Atlantik mit folgendem Beschuss
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Frühes B-Bild mit Transmission
1947
– Dussik veröffentlicht
erste medizinische
Ultraschallbilder
– “Hyperphonography"
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2D - Ultraschallschnittbild
1963
– Richard Soldner1935-2012 (Siemens) stellt Prototyp des VIDOSON vor
– Erstes Realtime-Ultraschallgerätauf dem Weltmarkt
– Klinische Erprobung in der Frauenklinik der Universität Münster & Würzburg
Erstes Real-Time Bild der Mama 1963
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Geschichte
Schall ist mechanische Energie, wird in biologischem Gewebe
absorbiert und in Wärme umgewandelt
Mit Ultraschall-Stoßwellen können Druckspitzen erzeugt werden, die
Nieren- und Gallensteine zerstören (oder Gewebe „verkochen“,
HIFU)
„Lithotripsie“ seit der 80er Jahre, keine Operation
Erste Anwendung in der medizinischen Diagnostik erfolgte 1942
(Durchschallung des Schädels zur Darstellung der Ventrikel)
Seit Ende der 1940er Jahre entwickelte sich die Sonographie
gleichzeitig innerhalb verschiedener medizinischer Fachrichtungen
(Kardiologie, Ophthalmologie, Gynäkologie, usw.)
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Überblick
Ultraschall ist Schall mit einer Frequenz jenseits der menschlichen
Hörschwelle (ab 20 kHz bis 1 GHz)
In der Diagnostik verwendet man Frequenzen zwischen 1 und
40 MHz (Spezialanwendungen bis 100 MHz) bei einer mittleren
Schallintensität von 100 mW/cm² (Doppler bis 1,5 W/cm²)
Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung
Ultraschall
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Schallgeräte
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Überblick
Ultraschallwellen werden mit in der Sonde angeordneten Kristallen
durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt
Von Bedeutung für die Schallausbreitung in einem Material ist der
Widerstand, der der Ausbreitung von Wellen entgegenwirkt
(Impedanz)
An der Grenzfläche zweier Stoffe mit großem Impedanzunterschied
wird der Schall stark reflektiert
⇒ Ankoppelung der Ultraschallsonde mittels eines stark wasserhaltigen
Gels (damit der Schall nicht von der Luft zwischen dem Sondenkopf
und der Hautoberfläche reflektiert wird)
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Überblick
Die Sonde sendet kurze, gerichtete Schallwellenimpulse aus, die in
den Gewebeschichten unterschiedlich stark reflektiert und gestreut
werden (Echogenität)
Gering echogen sind vor allem Flüssigkeiten (z.B. Harnblaseninhalt, Blut)
Hohe Echogenität besitzen dichte (Knochen) und dünne (Gase) Materialien
Aus der Laufzeit der reflektierten Signale kann die Tiefe der
reflektierenden Struktur rekonstruiert werden
Die Stärke der Reflexion wird vom Ultraschallgerät als Grauwert auf
einem Monitor dargestellt
Strukturen geringer Echogenität sind schwarze, Strukturen hoher
Echogenität weiße Bildpunkte
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Transducer (Schallköpfe)
High frequency
pediatric sector
probe
Curved probe for adult
abdominal imaging
Mechanically scanned
curved array for 3D
imaging
Adult sector
cardiac probe
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Auflösung
Örtliches Auflösungsvermögen: Maß für die Fähigkeit eines
Messgeräts nah beieinander liegende Objekte getrennt
wahrnehmen zu können
Man unterscheidet Auflösungsvermögen in Richtung der
Strahlachse (axial) und senkrecht zur Achse (lateral)
Auflösung ist wellenlängeabhängig
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AuflösungAxiale Auflösung Laterale Auflösung
z l / 2
Minimaler Abstand x von zwei
Grenzflächen (A,B) entlang der
Schallausbreitungsrichtung x, der noch
unterschieden werden kann
x ~ 3 l
Minimaler Abstand x von zwei
Grenzflächen (C,D) senkrecht zur
Schallausbreitung, so daß die dazwischen
liegende Lücke noch erkannt wird
Schallsender
C
Dz
x
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Ausbreitung im Körper
Absorption: ultrasound energy
converted to thermal energy
Reflection: at smooth material
boundaries with impedance gradients
Scattering: at smaller point-like
geometries
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Absorption
=
1dB
MHz cm
Schallenergie wird in Wärme
umgewandelt
Material- und Frequenzabhängig
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Reflexion
Reflexion Impedanz
2
21
21
=
ZZ
ZZR Z v=
Beispiele:
Knochen/Gewebe R=30%
Übergang zu Luft R=100%
Gewebe (typisch) R=1%
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Reflexion und Brechung
2,
1,
sin
sin
s
s
t
i
c
c=
Material 1 1, cs,1 Material 2 2, 2s,2
i
rt
incident
transmitted
reflected
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Beispiele
Material 1 – Material 2 Reflected portion R2
Brain – skull bone 43.5 %
Fat – muscle 1 %
Fat – kidney 0.6 %
Muscle – blood 0.1 %
Soft-tissue – water 0.25 %
Soft-tissue – air 99.9 %
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Reflektierte Energie
PR =0,018 mW
PR =0,019 mW
PR =0,014 mW
PR =0,012 mW
PR =0,0007 mW
PR =0,0005 mW
Fett
Muskel
Fett
Muskel
Blut
z
P0 =10 mW
8,8 mW
1,7 mW
1,5 mW
0,3 mW
0,26 mW =1/40 P0
Wasser
Wasser
US 1,7 MHz 10 mW
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Streuung
Wellenpaket trifft Streukern mit Radius a
a << Wellenlänge: Rayleigh
Intensität proportional zu f 4
Interferenzen zwischen benachbarten Streuer = speckle
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Dämpfung = Absorption + Streuung
Tissue /f dB cm-1MHz-1
Muscle 2
Fat 0.5
Brain 1
Blood 0.2
Bone 4 ...10
30 ... 90
Water 0.002
cmMHz
dB1
log
100
10
2
=
dfdx
IId
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Typische Halbwertdistanzen
Material Half power distance d / cm
f = 2 MHz
Water 380
Blood 15
Soft tissue 1 to 5
Muscle 0.6 ... 1
Bone 0.2 ... 0.7
Air 0.08
Lung 0.05
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Das Auflösung vs. Tiefe Dilemma
High frequency = high resolution
Low frequency = decreased resolution
High frequency increased attenuation decreased penetration with increased resolution
Low frequency less attenuation better penetration with decreased resolution
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Hohe Auflösung oder Eindringtiefe ?
f [MHz] Ortsauflösung [mm]l [mm] Eindringtiefe [cm]
axial lateral
3,5 0,44 7 1,7 0,5
5 0,31 5 1,2 0,35
15 0,1 1,7 0,4 0,25
3,5 bis 5 MHz: Herz und Bauch
5 bis 10 MHz: Schilddrüse und Brust
10 bis 100 MHz: Auge und Haut
30 0,05 1,5 0,05 0,2
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Doppler CW
Speed spectrum vs. time
Example: Blood velocity at opening of aortic valve
Normal: systolic outflow v = 1 m/s
Here: v = 3.5 m/s, showing a flow back into ventricle
=> aortic valve does not close completely during diastole
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Ultraschallkontrastmittel
Anwendung
– Echokardiographie (Langer Laufweg = hohe Dämpfung)
– Abdomensonographie
Kontrastmittel bestehen aus Mantel (Hülle) und Luftinhalt
– Größenbereich von wenigen Mikrometern
– Damit meist kapillargängig
Wirkungsweise der Ultraschallkontrastmittel Reaktionen der „Bläschen“ auf dien Schalldruck
– Reflektion
– Resonanz
– Oberwellen (Nichtlinearitäten)
– Zerplatzen
Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung
Ultraschall
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A-Mode, TM-Mode
Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung
Ultraschall
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B-Mode
Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung
Ultraschall
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Abtastprinzipien
Mechanisch „Array“
Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung
Ultraschall
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Variation „Array“
„Linear-Array“ „Konvex-Array“
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Bewertung
+ Kleine Ankoppelfläche
- Fester Fokus
+ Hohe Bildqualität
+ Mikrobauweise
+ Günstig
+ Große Ankoppelfläche
+ Elektronischer Fokus
+ Keine Mechanik
+ Sehr flexibel
- Teuer
Mechanisch Array
Herz
KörperöffnungenBauch
Gynäkologie
Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung
Ultraschall
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3D-BildaufzeichnungAuswertungs-
PC
Ultraschallgerät
Optisches
Tracking
Schallkopf
mit LED‘s
Prinzipien:
optisch
elektro-magnetisch
mechanisch
Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung
Ultraschall
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Surface visualisation
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Typische Artefakte bei der US-Bildgebung
Hinter schwach dämpfenden Gebieten
kommt es zu einer scheinbaren
Signalerhöhung durch die TGC
(Time Gain Compensation)
Hinter schrägen Kanten, die relativ stark
spiegeln, kommt es zu Abschattungen
Bei zwei stark reflektierenden, ungefähr
parallelen Grenzflächen kann es zu
Mehrfachreflexionen kommen
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Typische Artefakte bei der US-Bildgebung
Objekte vor stark reflektierenden
Flächen können als virtuelles Bild
doppelt erscheinen
Objekte hinter Gebieten mit
abweichender Schallgeschwindigkeit
erscheinen verschoben
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Sicherheitsaspekte
U/S-Wellen können den Körper auf zwei Arten schädigen
– Wärmeeinwirkung (Schallintensität)
– Kavitation (Schalldruck)
Schädigungsgrenzen für diagnostisch angewendeten Ultraschall
(nach W.L. Nyborg)
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Dermatologie
Technische Details:
• 20-100 MHz
• axiale A.: 60 m
• laterale A.: 200 m
• max. Tiefe: 15 mm
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Zusammenfassung
Vorteile Ultraschall
– Universal & Vielseitig: von fast allen medizinischen
Fachdisziplinen genutzt
– Risikoarm/-los, nicht invasiv, schmerzlos, strahlenexpositionsfrei
– Hohen Verfügbarkeit, Portabilität
– Schnellen Durchführung
– Geringe Anschaffungs- und Betriebskosten
– Aufwendige Strahlenschutzmaßnahmen und –belehrungen
entfallen
– Freie Schnittführung der Sonden erlaubt Kontrolle über
gewünschtes Schnittbild in Echtzeit
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Zusammenfassung
Nachteile Ultraschall
– Geringe Objektivität des Verfahrens
– Qualität der gewonnenen Bilder hängt von vielen Faktoren ab:
Position des Patienten, Geräteeinstellungen, Handhabung der
Sonde
– Hand-Auge-Koordination
– Subjektive Eindruck mit normaler Anatomie vergleichen ⇒
Erfahrung
– Bei der Untersuchung werden Standbilder ausgedruckt
– Geringere Raumauflösung als CT und MRT
– Weichteil-Kontrastauflösung ist der der MRT unterlegen