Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie · nach dem Huygenschen Prinzip...
-
Upload
trinhthien -
Category
Documents
-
view
219 -
download
0
Transcript of Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und Sonographie · nach dem Huygenschen Prinzip...
1
Seite 1
Physikalische Grundlagen der Röntgentechnik und
Sonographie
Sonographie
PD Dr. Frank Zöllner
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 221 I Datum
Sonografie
� Anwendung von Sonongrafie
� Geschichte
� Physikalische Grundlagen des Schalls
� Bildgebung & Darstellungsmethoden
� Doppler-Sonografie
� Anwendungen in der Medizin
2
Seite 2
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 222 I Datum
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 223 I Datum
Anwendung von Sonografie (2)
3
Seite 3
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 224 I Datum
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 225 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
4
Seite 4
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 226 I Datum
Physikalische Grundlagen - Ultraschall
Typischer Frequenzraum : 20 Hz – 1 GHz� Jenseits des menschl.
Hörens� Diagnostische angewandte
Frequenzen: 2- 20 MHz
Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 227 I Datum
Physikalische Grundlagen - Ultraschall
Schallgeschwindigkeit� Kompressibilität� Dichte der Materie
Wellenlänge US – Welle� Abhängig von der
Schallgeschwindingkeit� Abhängig von der Frequenz
Schallgeschwindigkeit ist nicht konstantwie bei Röntgenstrahlen!
5
Seite 5
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 228 I Datum
Schallgeschwindigkeiten
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 229 I Datum
Physikalische Grundlagen - Wechselwirkungen
� Wechselwirkungen zwischen Materie und Ultraschallwelle� Folgen im wesentlichen den Gesetzen der Optik
Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998
6
Seite 6
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 230 I Datum
Wechselwirkungen - Reflexion
� Einfallende US – Wellen werden
� Reflektiert
� Transmittiert
� Reflektiertes Signal wird für die Bildgebung genutzt
� Intensität der einfallenden Welle teilt sich auf
Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998
Tissue 1
Tissue 2
Interface
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 231 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
7
Seite 7
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 232 I Datum
Impedanz - Beispiele
Material ρ in g/cm3 c in m/s Z in g/cm2s
Air 0.0013 331 43
Water (20 °C) 0.9982 1492 1.49*105
Fat 0.97 1470 1.42*105
Muscle 1.04 1580 1.63*105
Brain 1.02 1530 1.56*105
Bones 1.7 4080 6.12*105
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 233 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
8
Seite 8
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 234 I Datum
Wechselwirkung – Transmission
� Analog zur Reflexion
� Transmissionskoeffizient T
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 235 I Datum
Beispiel
� sound wave travels from soft tissue to muscle tissue, what is R and T ?
Material ρ in g/cm3 c in m/s Z in g/cm2s
Air 0.0013 331 43
Water (20 °C) 0.9982 1492 1.49*105
Fat 0.97 1470 1.42*105
Muscle 1.04 1580 1.63*105
Brain 1.02 1530 1.56*105
Bones 1.7 4080 6.12*105
9
Seite 9
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 236 I Datum
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 237 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
Brechungsindex
10
Seite 10
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 238 I Datum
Wechselwirkung - Streuung
Raue, nicht senkrechte Grenzflächen erzeugen StreuungReduzierung der ReflexionAber: 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 239 I Datum
Reflexion, Brechung und Streuung
11
Seite 11
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 240 I Datum
Wechselwirkungen - Absorption
� Dämpfung
� abhängig von:
� Streuung
� Innere Reibung
� Anregung innere Freiheitsgrade (Molekülrotation, -schwingung)
� Energie der Schallwelle wird in Wärme umgesetzt
� nimmt exponentiell mit der Entfernung vom Schallkopf ab (längs der Ausbreitungsrichtung)
Wichtig für die gewünschte Eindringtiefe!
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 241 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)
12
Seite 12
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 242 I Datum
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)
� 30 – 90 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 243 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
13
Seite 13
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 244 I Datum
SchallfeldeigenschaftenQuelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin
Schallfeld als Überlagerung von Kugelwellen nach dem Huygenschen Prinzip
Längenskala:
D Durchmesser Wandler
λ Wellenlänge US
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 245 I Datum
Schallfeld eines runden Wandlers
Schallfeld eines ebenen runden Wandlers, f=4MHz, D=10mm, c=1500 m/s (Wasser)
14
Seite 14
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 246 I Datum
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 247 I Datum
Auflösung lateral
für 1<N<2 gilt: d = D/3
Längenskala:
D Durchmesser Wandler
λ Wellenlänge US
Quelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin
15
Seite 15
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 248 I Datum
Auflösung axial
Quelle: Olaf Dössel, Bildgebende Verfahren in der Medizin
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 249 I Datum
Eindringtiefe vs. Ortsauflösung
im Muskel
16
Seite 16
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 250 I Datum
Erzeugung von Ultaschallwellen
Ultraschallkopf oder SondeAusnutzung des piezoelektrischen EffektsSender und Empfänger in einem Bauteil
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 251 I Datum
Piezoelektrischer Effekt
� Kristalle schwingen mechanisch, wenn elektrische Wechselspannung anliegt
� Erzeugung von Schwingungen / Schallwellen
� Mechanische Spannung erzeugt eine elektrische Polarisation
� Erzeugung von elektrischer Spannung
� Durch Vibration des Materials, Erzeugung von Wechselspannung
EmpfangenSenden
17
Seite 17
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 252 I Datum
Piezoelektrischer Effekt (2)
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 254 I Datum
Aufbau eines Schallwandlers
Quelle: Einführung in die Medizinphysik, Dieter Suter, TU Dortmund
18
Seite 18
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 255 I Datum
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 256 I Datum
Bildgebung – Echo-Implus-Verfahren
Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998
19
Seite 19
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 257 I Datum
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 258 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
Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998
20
Seite 20
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 259 I Datum
Darstellungsmethoden
Dolorme und Debus, “Ultraschalldiagnostik”, Hippokrates 1998
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 260 I Datum
Scanverfahren
21
Seite 21
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 261 I Datum
Ultraschallkopf
� Unterscheiden sich durch die Anordnung der Piezoelemente� Unterschiedliches Schallfeld
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 262 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 aEverschoben
� Bild um Zeilenmaß aZverschoben
22
Seite 22
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 263 I Datum
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 264 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
23
Seite 23
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 265 I Datum
Elektronische Scanner – Typische Werte
Linear Array ConvexArray
PhasedArray
Anzahl Elemente60 - 196 > 100 48 - 128
Gruppenbreite8 - 128 16 - 96 -
Frequenz3,5 – 7,5 MHz 2 – 7 MHz
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 266 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
24
Seite 24
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 267 I Datum
Darstellungsmethoden
Dopplersonografie� Ausnutzung des
Dopplereffekts
DopplereffektVeränderung der wahrgenommenen oder gemessenen Frequenzvon 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 268 I Datum
Doppler-Effekt
Christan Doppler (1803-1853)� Sagte Doppler Effekt vorraus („Über das
farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels“)
Christoph Buys-Ballot (1817-1890)� Beweis des Doppler-Effekts für Schall
mittels Trompeter
Sir William Huggins (1824-1910)� Sternenbewegung mittels Doppler-
Effekt
25
Seite 25
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 269 I Datum
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 270 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 Geschwind-
igkeitsmessung im konventionellen (B-Mode-) Sonogramm
� Gate, definiert Meßbereich
26
Seite 26
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 271 I Datum
Darstellungsmethoden – US Doppler
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 272 I Datum
Darstellungsmethoden - Farbdoppler
Mitralklappeninsuffizienz
27
Seite 27
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 273 I Datum
Darstellungsmethoden - Farbdoppler
Karotisstenose Doppler des Herzgewebes
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 274 I Datum
3D Ultraschall
� Aufnahme vieler B-modeBilder
� Ultraschallwellen werden dazu in verschiedenen Winkeln gesendet
� Position des Ultraschallwandlers wird registriert
� Computer rekonstruiert 3D Volumen ähnlich zum CT
� Alternativ 3D Ultraschallköpfe
Janet Cochrane Miller, MGH, USA
28
Seite 28
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 275 I Datum
Kontrastmittelverstärkter Ultraschall (CEUS)
� Ultraschallkontrastmittel� spezielle
Reflexionseigenschaften� meist gasgefüllte
Microbubbles� verändert die Echogenität
� ungezieltes CEUS� allgem. Kontrastmittel
� gezieltes CEUS� Microbubbles binden an
ZielstrukturenAngelelli et al., Computers & Graphics 2011
PD Dr. Ing Frank G. Zöllner I Folie 276 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