, ,   , , , ,   , referat,  ,




|

,
|

-
|

;- .
|

y
|


|


|


|


|

: ?
|

...



: >>

 
Anatomisches Institut
der
Universitt Tbingen
 
 
Kursus der
Ultraschallantomie
 
 
Diavortrag
Grundlagen der Ultraschall-Bildgebung
Physikalisch-technische Zusammenhnge
 
 
Nach einer Vorlage der
Siemens Aktiengesellschaft
Bereich Medizinische Technik
 
Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieser Verffentlichung darf ohne vorherige Zustimmung des Herausgebers reproduziert, in Speichersysteme eingegeben werden oder durch elektronische, mechanische, photographische oder sonstige Verfahren bertragen oder aufgezeichnet werden.

Seit Mitte der 50er Jahre wird die Ultraschalltechnik als bildgebendes Verfahren in der medizinischen Diagnostik eingesetzt.
Grundlage bilden die aus der Tiefe des Gewebes kommenden Reflexionen ausgesandter Ultraschallwellen.
Diese werden zu einem Schnittbild zusammengesetzt, das einem Ausschnitt aus dem menschlichen Krper entspricht. Dem Untersucher stehen heute Gerte zur Verfgung mittels derer er annhernd jeden Bereich des menschlichen Krpers erfassen und darstellen kann.

Das Schallwellenspektrum wird in drei Frequenzbereiche unterteilt        Infraschall Frequenz kleiner 16 Hz
        Hrbarer Schall Frequenz 16Hz 20 kHz
        Ultraschall Frequenz grer 20 kHz

Fr die medizinische Bildgebung (Schnittbildtechnik) werden Frequenzen zwischen 2 MHz und 50 MHz verwendet.
Fr den Groteil der diagnostischen Fragestellungen sind die Frequenzen 3,5 MHz, 5,0 MHz und 7,5 MHz geeignet und markieren einen gewissen Standard.
Spezielle Anwendungen z.B. intraluminale oder dermatologische Ultraschall-Bildgebung verwenden Frequenzen bis zu 50 MHz.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen (Schallgeschwindigkeit c) ist vom Material abhngig. Fr die im menschlichen Krper vorkommenden verschiedenen Gewebearten wird eine mittlere Schallgeschwindigkeit von c = 1540 m/s angenommen. Wird die Laufzeit eines Schallsignals gemessen, ist eine eindeutige Zuordnung einer Reflexion zum Ort ihres Entstehens mglich.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein Piezoelement wird dieses mechanisch verformt. Andererseits wird durch mechanische Verformung in einem Piezoelement eine elektrische Spannung erzeugt. Dieser physikalische Zusammenhang heit Piezoeffekt.
Zur Erzeugung von Ultraschall werden Piezoelemente verwendet. Ein solches Element wird durch einen elektrischen Impuls zum Schwingen angestoen. Die Frequenz der Schwingung ist vom Aufbau und der Technologie des Elementes abhngig.
Treffen wiederum mechanische Schwingungen auf ein Piezoelement, so erzeugen diese eine Spannung, die der mechanischen Schwingung proportional ist.

Eine Ultraschallsonde (Schallkopf) ist ein Schallsender und empfnger. Ein elektrischer Impuls stt das Schallelement an (Impulslnge ca. 1 mikrosec). Die resultierende mechanische Schwingung pflanzt sich im Gewebe fort. An einem Zielobjekt wird die mechanische Schwingung reflektiert. Die zurcklaufende Schallwelle erzeugt am Schallelement wiederum ein elektrisches Signal. Die Zeit (t) zwischen Senden und Empfangen ist das Ma fr die Distanz von Schallelement und reflektierendem Objekt (Puls-Echo-Verfahren). Die Eindringtiefe (z) ist der Weg zwischen Schallsender und dem Ort der Reflexion.

Reflexionen entstehen, wenn Wellen Medien (Gewebestrecken) unterschiedlicher akustischer Impedanz durchlaufen. Unter akustischer Impedanz versteht man das Produkt von Dichte und Schallgeschwindigkeit des Mediums (materialabhngig). An jedem Impedanzsprung entsteht eine Reflexion. Der reflektierte Anteil der Ultraschallwelle nimmt mit dem Impedanzunterschied zu.

Der Wert der Impedanz von Weichteilgewebe ist hnlich dem von Wasser. Luft oder Knochen besitzen davon stark abweichende Impedanzwerte. Bei groen Impedanzsprngen an den Grenzflchen Gewebe-Luft oder Gewebe-Knochen wird die Schallenergie annhernd total reflektiert. Dahinter liegende Objekte knnen mit Ultraschall nicht mehr erfat werden. Bei kleinen Impedanzsprngen im Gewebe bleibt im durchdringenden Schallstrahl gengend Schallenergie erhalten, um weitere Reflexionen erzeugen zu knnen.

Am Beispiel der Applikation eines Einzelelement-Schallkopfes am Schdel wird der Signalverlauf entlang einer US-Zeile deutlich. An jedem starken Reflektor entsteht ein Echo; die flssigkeitsgefllten Ventrikel sind echoarm.
A-Mode (Amplitude) bedeutet, da die empfangenen Signalstrken als Amplituden ber der Zeit dargestellt werden.
B-Mode (Brightness) bedeutet, die Umsetzung der Echoamplituden in entsprechenden
Helligkeiten (Grauwerte).

Der Vorteil des A-Modes liegt in der einfachen Auswertbarkeit der Echoamplituden und deren Distanz zur Ultraschallsonde.

Ein zweidimensionales Schnittbild entsteht, wenn mehrere Schallstrahlen nebeneinander angeordnet werden.
Die daraus gewonnenen, helligkeitsmodulierten Signale, werden in einer Matrix zwischengespeichert. Diese Matrix wird auf den Bildschirm bertragen und zu einem US-Bild zusammengesetzt.

Gertetechnisch wird die durch den ausgesandten Ultraschallstrahl bewirkte Echofolge zeilenfrmig aufgezeichnet und abgespeichert. Das Mefeld kann durch parallel- oder strahlenfrmig/sektorfrmig angeordnete Ultraschallstrahlen ausgeleuchtet werden. Daraus resultiert eine unterschiedliche Form des Mefensters. Die Bildinformation ist bei allen B-Mode-Verfahren gleich.

Fr die zweidimensionale Schnittbildtechnik stehen drei Abtastverfahren zur Verfgung.
LINEAR SCAN wird bentzt in der Oberbauch-Diagnostik wegen der groen Abbildungsbreite im applikatornahen Bereich.
CONVEX SCAN erzeugt ein groes Mefeld in tieferliegendem Gewebe.
SEKTOR SCAN wird vor allem in der Echokardiographie eingesetzt, wegen der kleinen Eintrittsfenster in den Interkostalrumen.

Die Wahl des Verfahrens richtet sich nach anatomischen Gegebenheiten. Die verschiedenen Scanverfahren und Arbeitsfrequenzen sind in unterschiedlichen Sonden realisiert.

Fr die vielfltigen Aufgaben stehen speziell konstruierte Linear- Convex- und Sektor-Sonden zur Verfgung.
Zum Beispiel        Linear-Sonden (3,5 / 5.0 / 7.5 MHz)
        Convex-Sonden (3,5 MHz Radius 40/70 mm)

Zum Beispiel        Sektor-Sonden (Cardiac)
        Sektor-Sonden (Duplex)
        Sektor-Sonden (Endo P + V)

 
Die Schallwellen werden abhngig von den Absorptionseigenschaften des Gewebes, der verwendeten Ultraschallfrequenz und der Abbildungstiefe gedmpft.
Die Dmpfung ist umso grer
        Je grer der von dem Schallimpuls zurckgelegte Weg,
        je hher die Frequenz
        je grer die Materialkonstante.

Der Absorptionskoeffizient ist das Produkt von Frequenz und Materialkonstante.
Die Dmpfung (D) ist das Verhltnis von Anfangsschalldruck und Schalldruck nachdem der Schallimpuls die zugehrige dmpfende Wegstrecke zurckgelegt hat.

Fr Weichteilgewebe und Frequenzen zwischen 0,2 MHz und 100 MHz gilt die vereinfachte FormelDmpfung (dB) = Frequenz (MHz) * Weg (cm)
Die Frequenz hat einen Einflu auf die Eindringtiefe. Deshalb sind fr bestimmte Untersuchungsgebiete bestimmte Frequenzen vorteilhaft. Hohe Frequenzen eignen sich gut fr die Darstellung oberflchennaher Strukturen, tiefe Frequenzen fr groe Abbildungstiefen.

Echos tieferliegender Objekte erfahren auf ihrem Weg zur Sonde mehr Dmpfung als sondennahe Echos. Um diese Dmpfung auszugleichen wird eine laufzeitabhngige Verstrkung (TCG, Time Gain Compensation) des reflektierten Signales durchgefhrt. Diese Einstellung wird manuell vorgenommen, da die Gren homogener Bildeindruck, dicke und dnne Patienten, interessierender Bereich etc. nicht vorprogrammierbar sind. Fr eine optimale Darstellung ist es deshalb unerllich, da der Anwender eines Ultraschallgertes die TCG-Einstellung beherrscht.

Im Beispiel wird der Tiefenausgleich durch 5 Schieberegler auf dem Bedienfeld eingestellt. Jedem Regler ist abhngig vom Abbildungsmastab ein Tiefenbereich zugeordnet. Somit kann fr jede Tiefe eine individuelle Verstrkung erzielt werden.

Die Auflsung bezeichnet den kleinstmglichen Abstand zweier punktfrmiger Objekte, die gerade noch voneinander unterschieden werden knnen. Wir unterscheiden die AXIALE Auflsung (in Richtung der Schallausbreitung) und die LATERALE Auflsung (quer zur Ausbreitungsrichtung).

Die axiale Auflsung ist berwiegend durch die Pulslnge bestimmt. Die laterale Auflsung ist stark von der Form des Schallfeldes abhngig. Die beste laterale Auflsung liegt im Fokusbereich. Die Auflsung ist axial besser als lateral. Mit zunehmender Frequenz verbessern sich die Auflsungseigenschaften einer Ultraschallsonde.
Die axiale Auflsung ist der Frequenz direkt proportional.
Die laterale Auflsung lt sich im Fokusbereich durch hhere Frequenzen verbessern.

Die Eindringtiefe ist der Frequenz umgekehrt proportional.

Da die Eindringtiefe mit hheren Frequenzen abnimmt, mu ein Kompromi zwischen Eindringtiefe und Auflsung gefunden werden.
Die gebruchlichsten Frequenzen sind heute fr Tiefenbereiche 3,5 MHz
Sowie
Fr oberflchennahe Bereiche 7,5 MHz.

Die Apertur (Breite) und die Fokussierung einer Ultraschall-Sonde bestimmt die Lage des Fokusbereiches. Bei Ein-Element-Sonden kann deren fester Fokus konstruktiv festgelegt werden. Bei Multi-Element-Sonden besteht zustzlich die Mglichkeit ber entsprechende Ansteuerung mehrere Einzelelemente zu einer Gruppe zusammenzufassen. Eine solche Gruppe wirkt wie EIN groes Element. Durch die Ansteuerung unterschiedlich breiter Elementgruppen knnen unterschiedliche Fokuslagen erreicht werden. Der Fokus kann quasi entlang der Ultraschallzeile verschoben werden (Dynamischer Fokus). Die Fokusbreite wird dadurch ber die gesamte Metiefe nahezu konstant gehalten. Dieses Prinzip ist sowohl beim Senden, als auch beim Empfangen anwendbar. Im Empfangsfall kann kontinuierlich von kleiner nach groer Apertur umgeschaltet werden.

Diese Aussage gilt fr den natrlichen Fokus. Zustzlich kann die Fokuslage auch durch mechanische oder bei Multi-Element-Sonden durch elektronische Fokussierung beeinflut werden.

Diese Aussage gilt fr den natrlichen Fokus. Zustzlich kann der Fokus-Durchmesser auch durch mechanische oder bei Multi-Element-Sonden durch elektronische Fokussierung beeinflut werden.

In der Ultraschall-Bildgebung kennen wir physikalische Artefakte. Der SCHALLSCHATTEN ist ein Artefakt, der hinter einem groen Impedanzsprung entsteht. Nachdem der berwiegende Anteil der Schallenergie reflektiert wurde, gengt die verbleibende Energie hinter dem Reflektor nicht mehr, um ausreichend starke (verwertbare) Echos zu erzeugen. Der Bereich wird echoarm dargestellt.

Im Ergebnisbild ist dieser Effekt als Schlagschatten hinter starken Reflektoren (z.B. Gallenstein) zu erkennen und lt sich somit diagnostisch auswerten.
Die Schallverstrkung ist ein Artefakt, der durch stark unterschiedliche Dmpfung im Gewebe entsteht. Nach einem Bereich sehr schwacher Dmpfung wird das dahinter liegende Gebiet zu hell dargestellt. Die im Ultraschallgert eingebauten Kompensations-Schaltkreise kompensieren in diesem Fall eine Echo-Abschwchung, die in diesem Bildbereich nicht stattgefunden hat.

Im Ergebnisbild ist dieser Effekt als Aufhellung nach einem schwach dmpfenden Bereich (z.B. Leberzyste) zu erkennen und lt sich somit diagnostisch auswerten.

        



:
- ( ,
>>
- ( , Medinfo http://www.doktor.ru/medinfo http://medinfo.home.ml.org E-mail: medinfo@mail.admiral.ru or medreferats@usa.net or pazufu@altern.org FidoNet 2:5030/434 Andrey Novicov - e-mail: medinfo@mail.admiral.ru Medinfo ...

- ( , | - ( ,
- ()
>>
- () Medinfo http://www.doktor.ru/medinfo http://medinfo.home.ml.org E-mail: medinfo@mail.admiral.ru or medreferats@usa.net or pazufu@altern.org FidoNet 2:5030/434 Andrey Novicov - e-mail: medinfo@mail.admiral.ru Medinfo ...

- () | - ()

>>
,   . , . ...

|

>>
.. : ". ...

|

>>
. , . , ;...

|