Ultrazvuková diagnostika Tomáš Jůza Biofyzikální ústav LF MU 2023 Ultrazvuk •Mechanické vlnění, f >20kHz •(v praxi k diagnostice 2-18MHz) • •Podélné (zahušťování a zřeďování) •Příčné (pružné pevné látky, povrchy •kapalin) • •Potřeba spojitého prostředí s obdobnou •rychlostí šíření – ultrazvukový gel • • Prostředí Rychlost [m.s–1] Vzduch 330 Destilovaná voda 1480 Sklivec 1532 Játra 1550 Měkké tkáně 1550 Ledviny 1560 Kost 3500 Piezoelektrický jev https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/Piezoeffekt350px_clr.gif Sonar •Sound Navigation And Ranging •1914 •Aktivní sonar •Pulse-echo princip • •„hydrophone“ Průkopníci v medicíně •Karl Theodore a Friederich Dussik - 1937 (mozkové nádory) •George Ludwig – 1949 (lokalizace žlučových kamenu, rychlost šíření UZ) •John Julian Wild - 1950 (ileus) A-mód •Douglas Howry - 1949 B-mód skener (somaskop) •Ian Donald - 1958 (gynekologie) A-mód, B-mód •Inge Edler a Carl Hellmuth Hertz 1954 -M- mód echokardiografie • http://www.ob-ultrasound.net/history1.html • •http://www.ob-ultrasound.net/history1.html • •Vidoson 635, Siemens •První B-mód v reálném čase komerčně dostupný, 1967 https://www.siemens.com/press/pool/de/pressebilder/2014/healthcare/300dpi/IM2014110169HC_300dpi.jpg www.siemens.com/press https://www.siemens.com/press/en/presspicture/?press=/en/presspicture/2014/healthcare/im2014110169h cen.htm&content[]=H&content[]=HC Základní principy ultrazvukového vyšetřování Šíření ultrazvuku prostředním •odraz •na rozhraní dvou prostředí s výrazně rozdílnou akustickou impedancí •rozptyl •na mikroskopických rozhraních, jejichž velikost je menší než vlnová délka vysílaného ultrazvuku •ohyb, lom •na rozhraní dvou prostředí, když vlnění • nedopadá kolmo (vznik UZ artefaktů) •absorpce •postupná ztráta energie při průchodu prostředním •(formou tepelné energie) roste s frekvencí a hustotou • Principy ultrazvukového zobrazování •Odražené akustické vlnění na rozhraní prostřední s rozdílnou akustickou impedancí •Čas a intenzita •Akustická impedance - odpor, který klade prostředí ultrazvuku •Rozhodující veličina při odrazu a lomu UZ vln na akustických rozhraních •Součin rychlosti šíření ultrazvuku a hustoty prostředí • • •Sonda s elektroakustickým měničem (měniči) •Generátor elektrických kmitů •Elektronické obvody pro zpracování odraženého signálu (dnes software) •Záznamová jednotka •Zobrazovací jednotka • • Základní součásti ultrazvukového přístroje https://clarius.com https://thumbs.dreamstime.com/z/close-up-control-panel-ultrasound-machine-diagnosis-examination-hum an-internal-organs-computer-modern-140154543.jpg •Dle konfigurace a frekvence • • • • • sektorová konvexní lineární • 2-3MHz 2-5MHz 5-20MHz •Vyšší frekvence – větší prostorové rozlišení, ale větší absorpce v tkání •Prostorové rozlišení může <1mm Ultrazvukové sondy Speciální sondy: - endokavitální - součástí endoskopů Hospital Ultrasound Probes https://www.indiamart.com/proddetail/hospital-ultrasound-probes-20216881855.html Možnosti rekonstrukce obrazu •A mód (Amplitude) •jednorozměrný UZ paprsek •B mód (Brightness) •2D zobrazení (v reálném čase) •„Řez“ tkání v rovině paprsku •Horizontální poloha – směr odrazu •Vertikální poloha – čas resp. hloubka •Jas – intenzita odrazu •(3D, 4D) •M mód (Motion) •Jednorozměrný B-mód + čas • A – mód, J. Wild, Reid 1952 Wild, J. J. & Reid, J. M. Application of Echo-Ranging Techniques to the Determination of Structure of Biological Tissues. Science 115, 226–230 (1952). Harmonické a Úhlové zobrazení •Harmonics, THI … •Násobky základní frekvence vzniklé nelineárním šířením UZ vlny tkáněmi •Slabší signál z hloubky (přenos vyšší frekvence) •↑ prostorové rozlišení •↓ artefakty (reverberace) •Compound, SonoCT … •Zprůměrovaný obraz z odrazů pod vícero úhly •↓ šum •↓ dorzální stíny (nefrolithiáza, prsa-tumory...) • C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_38_10-2.jpg B-mód Frame rate – b mod: FR = 77000/(# cycles/sector x depth) dáno pulse repetitiry frequency -> hloubkou zobrazované oblasti, i frekvencí sondy C:\Users\1831\Downloads\Capture-15_05_41-2.jpg 3D M-mód •Stupeň odrazivosti •Hyperechogenní x izoechogenní x hypoechogenní x anechogenní •Solidní struktury - akustický stín (absorpce a odraz) •Vzduchové bubliny a jiná silně odrážející rozhraní ( opakované odrazy reverberace,“chvost komety“) •Tekutina – akustické zesílení („okno“) Echogenita Dorzální stín Dorzální zesílení Fenomén okrajového stínu Dopplerův jev •Johann Christian Doppler 1845 •Přibližuje-li se zdroj zvuku o konstantní výšce (frekvenci) tónu směrem k pozorovateli, vnímá pozorovatel výšku tónu vyšší, rozdíl mezi frekvencemi záleží na rychlosti pohybu. • Velikost frekvenčního posuvu je přímo úměrná frekvenci, rychlosti krevního toku a kosinu úhlu, • který svírá směr UZ vln a tok krve •kritická mez nad 60° • Při ultrazvukovém Dopplerovském zobrazení je zdrojem frekvenčního posunu zpětně rozptýlené vlnění od pohybujících se krevních elementů. Směr a rychlost toku (v) zdroj 60° 60° 0,5 0,5 Proč úhel 60°? Proč cosinus? Δf cos 0° = 1 Δf= (2f0v)/c cos 60° = 0,5 Δf= (f0v)/c cos 90° = 0 Δf= 0 Cos = délka přilehlé odvěsny / délka přepony - > přilehlá odvěsna představuje vektorově posun ve směru toku, délka přepony vlastí hodnotu posunu / rychlosti pohybu •S kontinuální nosnou vlnou (continuous wave - CW) • •Dva měniče – vysílač a přijímač •Výstupem spektrální záznam (změny rychlosti v čase) • •Signál je součtem všech posunů v dráze vlnění •Nelze určit hloubka, ze které signál přichází •Měří libovolně velké rychlosti •Tužkové Dopplery pro vyšetření periferních cév • Kontinuální doppler Pulzní doppler •S pulzní nosnou vlnou (pulse wave – PW) • •Jeden měnič, střídavě vysílá a přijímá •Doba mezi vysláním a příjmem UZ impulzu je úměrná vzdálenosti cévy od ultrazvukové sondy •Umožňuje záznam rychlostního spektra toku krve v konkrétní cévě v kombinaci s B-modem - duplexní zobrazení •Fyzikální limitace frekvencí vysílaných pulzů - pulzní repetiční frekvence (PRF) • - Hloubka cévy • - Rychlost toku v cévě (Nyquistův vzorkovací teorém) • Nyquistův vzorkovací teorém pokud byla vzorkovací frekvence vyšší než dvojnásobek nejvyšší harmonické složky vzorkovaného signálu.“ Barevný doppler •Barevné mapování, color doppler • •V B-obrazu definovaná výseč, ze které je pomocí techniky pulzního Dopplera opakovaně jedné ose sbírána informace o rychlosti a směru toku, která následně vykreslena do obrazu v podobě barevných pixelů (BART) •Obvykle vykreslena průměrná hodnota fázových posunů pro jednotlivý bod obrazu •Semikvantitativní hodnocení •V kombinaci se spektrálním záznamem pulzního Dopplera – triplexní zobrazení Energetický doppler •Power doppler, (CPA color power angio) • •Obdoba barevného mapování •Zobrazuje celou energii dopplerovského signálu – krom rychlosti započítává i intenzitu signálu (energie úměrná ploše vymezené spektrální křivkou) •Citlivost pro velmi pomalé toky •Málo ovlivněna úhlem •Nevhodná k určení rychlosti • • Hrazdira_uz_brozurka_krivka •Spektrální záznam z •kontinuálního „dopplera“ C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_51_20-2.jpg Barevný mód C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_45_29-2.jpg C:\Users\1831\Downloads\Capture-14_52_37-2.jpg Triplexní zobrazení Power doppler Další ultrazvukové techniky – CEUS •Contrast enhanced ultrasound •Zobrazení s intravenozní kontrastní látkou •Kontrastní látka – mikrobubliny plynu •Sonuvue - Sulfur hexafluorid • •Zvýšení odrazivosti krve •Hodnocení průtoku /sycení tkání v reálném čase • •Hodnocení pružnosti tkáně •Statická kompresivní elastografie (Strain Stress Elastography ) - deformace tkáně vyvolána tlakem vyšetřovací sondy. •Elastografie střižnými vlnami (SWE Shear Wave Elastography )- radiační síly ultrazvukové vlny •Hodnotí pohyb tkáně příčně k působené „vlně“ Další ultrazvukové techniky – elastografie • Bezpečnost ultrazvukového vyšetřování •Mechanický index (MI) •s kavitací spojené bioefekty •Závisí na akustickém tlaku a frekvenci •MI < 1,9 • •Tepelný index (TI) •poměr aktuálního výkonu k hodnotě která by zvýšila teplotu o 1°C •TIS – „soft tissue“, TIB – „bone“, TIC – „cranial bone“ https://radiopaedia.org/articles/thermal-index?lang=us https://radiopaedia.org/articles/mechanical-index Intensity <720mW/cm2 Klinické využití zobrazovacího ultrazvuku •Limitace – hloubka uložení, stínění odrazivými materiály (kost, plyn) • •Povrchové měkké tkáně, srdce, břicho, cévní systém….. • •Subjektivní metoda – závislá na zkušenostech vyšetřujícího! • •Dynamické zobrazení – pozorování pohybu v reálném čase • •Bezpečná a dostupná metoda • Obsah obrázku sekera, tmavé Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku tmavé Popis byl vytvořen automaticky • • • Děkuji za pozornost Throwback to my last decent night sleep ultrasound baby photo pregnancy | StareCat.com