Az ultrahang orvosi alkalmazásai

Átírás

1 Az ultrahang orvosi alkalmazásai Dóczy-Bodnár Andrea október 17.

2 Az ultrahang orvosi alkalmazásai Ultrahang diagnosztika UH visszaverődése és/vagy szóródása az echo detektálása izom, lágy szövetek, csontok felszínének leképezése 2D és 3D képek (3D képek valós időben 4D) mozgás/sebesség információ is nyerhető 2-18 MHz (1-50 MHz) UH frekvencia (behatolási mélység vs. felbontás, ld. később) Nincs ionizáló sugárzás, nem invazív módszer Terápiás alkalmazások (i) Nagy intenzitású UH UH hő- és mechanikai hatása kívánt struktúrák (pl. tumor, vesekő, stb.) eltávolítása/roncsolása magasabb energiák, mint az UH diagnosztikában frekvenciák széles tartományban mozognak (de általában alacsonyabbak, mint a diagnosztikában) (ii) Alacsony intenzitású UH (pl. csontnövekedés stimulálása)

3 1. Ultrahang előállítása piezoelektromos transzducer inverz piezoelektromos hatás frekvencia, időtartam, pásztázás impulzus vs. folytonos ultrahang technikák 2. Ultrahang kölcsönhatása a humán szövetekkel A jó, a rossz és a csúf visszaverődés, szóródás jel (echo) abszorpció, visszaverődés, szóródás, törés UH gyengülése törés (refrakció) fals információ/artefaktum 3. Echo detektálása piezoelektromos transzducer piezoelektromos hatás echo intenzitása, érkezési ideje (és frekvenciája) 4. Adatfeldolgozás képalkotás erősítés képalkotás/megjelenítés térbeli felbontás Ultrahang diagnosztika

4 Ultrahang diagnosztika Transzducerek I. Tompító - egység Piezoelektromos lapka Illesztőréteg Z Közepes Nagy Kicsi Vastagság λ/2 λ/4 piezoelektromos lapka (kristály vagy kerámia) UH előállítása és detektálása (elektromos energia mechanikai energia) hatékony transzdukció rezonancia frekvencia (lapka vastagsága néhány száz μm hullámhossztól függ) egyetlen ill. több frekvencia kibocsátására képes transzducerek tompítóegység: magas UH abszorpcióképesség UH abszorpciója ebben az irányban illesztő réteg a transzducer és a vizsgált objektum között elősegíti az UH transzmisszióját a humán szövetekbe akusztikai keménység, méret (ld. táblázat) maximális energia kibocsátás a kívánt irányban

5 Ultrahang diagnosztika Transzducerek II. Diagnosztikai alkalmazások többsége: UH impulzusok egyetlen elektromos impulzus a lapka rövid ideig rezeg UH előállítása és detektálása ugyanazzal a transzducerrel sávszélesség, időtartam, ismétlési idő folyamatos hullámú UH technikák (pl. CW Doppler) UH előállítása és detektálása egymástól szeparáltan

6 Ultrahang diagnosztika Transzducerek III. UH-nyaláb fókuszálása nyaláb átmérő UH kép felbontása természetes fókuszálás nyaláb átmérője a közel- és távoltér határán a legkisebb (r 2 /λ) fókuszálási technikák konkáv transzducerek, akusztikus lencsék, elektronikus fókuszálás késleltető egységek Pásztázás fókuszált nyalábbal mechanikus pásztázás elektronikus módszerek (UH átalakító sorok, transducer array) linear és curved array több lapka hullámainak interferenciája fókuszálás egydimenziós képvonal eltolás 1 lapkával újabb képvonal

7 Viszaverődés különböző akusztikus impedanciájú közegek határán diagnosztikai információ UH gyengülése reflexióképesség (R), beesési szög szabályos ( tükröző ) visszaverődés lapos, sima felszín; λ UH visszaverő struktúra visszaverődés törvényei diffúz (szórt) visszaverődés nem teljesen sima, érdes visszaverő felszínről Szóródás UH hullámhosszánál kisebb részecskék (pl. vörösvértestek) frekvenciafüggő diagnosztikai információ + gyengülés Ultrahang diagnosztika Ultrahang viselkedése humán szövetekben I.

8 Néhány határfelület reflexiós tényezője (R) Izom/vér 0,0009 Zsír/máj 0,006 Zsír/izom 0,01 Csont/izom 0,41 Csont/zsír 0,48 Lágy szövet/levegő 0,99!!! UH-diagnosztika csatoló közeg (ld. illesztőréteg) a forrás és a test között (gél; víz ha megoldható) csontárnyék, kőárnyék

9 Ultrahang diagnosztika Ultrahang viselkedése humán szövetekben II. Abszorpció akusztikus energia hővé alakulása lágy szövetekben gyengülés 80-90%-át okozza frekvenciafüggő (μ frekvencia) felezési rétegvastagság, tompítás Törés különböző akusztikus impedanciájú közegek határán irányváltozása fals információ (pl. zsír, csontok) UH gyengülése

10 Felező rétegvastagság néhány fontosabb szövetben Anyag Felező rétegvastagság (cm) 2 MHz 5 MHz Levegő 0,06 0,01 Csont 0,1 0,04 Máj 1,5 0,5 Vér 8,5 3,0 Víz

11 Ultrahang diagnosztika Ultrahang viselkedése humán szövetekben III.

12 Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek alapja UH impulzus visszaverődés visszatérő jel (echo) detektálása (amplitúdó, visszatérési idő, frekvencia eltolódás) jel erősítése és feldolgozása UH-kép megjelenítése (pl. katódsugárcső) 2 impulzus közötti szünet milliszekundumos nagyságrend (hangsebesség, visszaverő elemek távolsága) impulzus hossza mikroszekundum erősítés time gain compensation (TGC) erősítés echo-jel mélységének megfelelő szabályozása

13 Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek I. Egydimenziós A (amplitúdó) képek rögzített helyzetű UH-fej, keskeny nyaláb echojelek egyetlen irányból különböző mélységből érkező jelek időtengelyen (x-tengely) egymásután jelennek meg visszaérkezési idő (t) visszaverő felület távolsága (d) a forrástól: ct=2d két echót okozó felület közötti távolság: d 12 =(ct 1 -ct 2 )/2 amplitúdó (y-tengely) ritkán használják diagnosztikai célokra

14 Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek II. Egydimenziós B (brightness; fényesség) képek echo intenzitás képpont fényessége önállóan nem használják, további módszerek alapjául szolgál TM- (M-) mód (time and motion) visszaverő felületek mozgása a mérési irányban (pl. kardiológia) egymást követő impulzusokat követően detektált B-képek x-irányban (időskála) egymás mellé helyezve

15 Ultrahang diagnosztika Impulzus-echo módszerek III. Kétdimenziós B-kép, UH-tomográfia Egydimenziós B-képek sorozata a test valamely síkmetszetében pásztázás különböző irányokban végzett mérések 2d kép 2D B-képek sorozata 3D képek rekonstrukciója

16 Ultrahang diagnosztika Feloldóképesség I. Térbeli feloldás axiális és laterális feloldóképesség vs. gyengülés/behatolási mélység magasabb frekvencia jobb feloldás, de nagyobb gyengülés felszínhez közeli vs. mélyebben fekvő struktúrák Sugárirányú (axiális) felbontás az UH nyaláb mentén fekvő struktúrák megkülönböztetése impulzus hossz és frekvencia magasabb frekvencia rövidebb impulzus jobb felbontás 5 MHz transducer, 3 cycles in a pulse 2,5 MHz transducer, 3 cycles in a pulse Feloldás határa elméletben: hullámhossz fele gyakorlatban: ~1.5 hullámhossz (0.75mm 3MHz esetén)

17 Ultrahang diagnosztika Feloldóképesség II. Laterális felbontás egymás mellett fekvő objektumok (UH-nyalábra merőlegesen) nyaláb átmérője a frekvenciával fordítottan arányos fókuszzónában a legkisebb a nyaláb átmérője Feloldási határ néhány mm

18 Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek I. mozgó visszaverő/szóró objektum sebesség meghatározása a frekvencia eltolódása alapján (pl. véráramlás)

19 Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek II. Egydimenziós folyamatos hullámú (CW) Doppler folyamatos UH hullám két kristály (külön forrás és detektor) véráramlás a nyaláb mentén nincs mélységinformáció, átlagos áramlási sebességet határoznak meg átlagos áramlás nagysága emittált és visszavert hullámok szuperpozíciója periodikus amplitúdó oszcilláció (lebegés) frekvencia = Doppler-shift; hallható tartomány hangszóróval hallhatóvá tehető áramlás iránya visszaszórt hullám + referenciahullám (kicsit magasabb frekvencia) szuperpozíciója kapott jel frekvenciája az áramlás irányától függ hallható jel magassága fordítottja a Doppler alapjelenségnek Előnyök: mérőeszköz kicsi, olcsó, könnyen használható

20 Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek III. Egydimenziós impulzus Doppler (PD) emisszió és detektálás időben szeparált azonos transzducer előre beállított időablak (pozíció, hossz) mért terület mélysége és kiterjedése szabályozható eltérő sebességek a vizsgált elemben detektált jel frekvencia eloszlása (frekvencia analízis: Fourier transzformáció) Doppler frekvencia eltolódás spektrum ha Θ ismert sebesség spektrum meghatározható (de általában túl nagy a szög bizonytalansága) Doppler görbe: Doppler-eltolódás/sebesség idő függvény megjelenítése speciális egydimenziós B-kép: Doppler-shift /vagy sebesség (tengely mentén) + VVT-k száma (fényesség) (ennek időbeli változása is ábrázolható Doppler görbe másik típusa/doppler spektrum)

21 Duplex megjelenítés 2D B-kép és a Doppler görbe egyidejű megjelenítésa színkódolt Dopplerrel kombinálva triplex Színkódolt Doppler szürkeskálás 2D B-kép + Doppler információ sebesség iránya és nagysága kódolva van Ultrahang diagnosztika Doppler-módszerek IV.

22 Ultrahang terápiás alkalmazásai High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) tumor lokalizálása (pl. B-módú UH képalkotással) tumor szövet roncsolása jól lokalizálható hőmérséklet emeléssel a szövetkárosodás kontrollálása a szöveti reflexió változásának a monitorozásával Extracorporal Shockwave Lithotripsy (ESWL) spektruma 100 khz -1 MHz ~ 50 MPa akusztikus nyomáshullám (lökéshullám)

23 Mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) Dóczy-Bodnár Andrea október 17.

24 Az MRI az NMR alapjelenség speciális alkalmazása Magok mágneses momentumait ( 1 H atommagok) külső mágneses térben RF sugárzással gerjesztjük; a rendszerre jellemző rezonancia frekvenciákat és a hozzájuk tartozó spinek/mágneses momentumok relatív mennyiségét detektáljuk NMR jel! Mi a speciális az MRI-ben? NMR jelet képpé alakítjuk mágneses tér gradiensek segítségével lokalizáljuk a jelet Orvosi MRI: a főként vízben (és zsírban) megtalálható 1 H atommagok biztosítják a jelet

25 Mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) 2 N Bkülső eltérő hely különböző B külső, azaz különböző frekvencia Hely a frekvencia alapján azonosítható Lineáris mágneses tér gradiens B külső (külső mágneses tér) MRI esetén: (i) B 0 homogén mágneses tér mindig jelen van spinek rendeződése (ii) lineáris mágneses tér gradiensek átmeneti időre kapcsolják be B 0 -al párhuzamos, de a tér adott irányában növekvő erősségű mágneses tér

26 Homogén mágneses tér (B 0 ) B 0 + lineáris mágneses tér gradiens 3 H-t tartalmazó elem esetén (egyszerűsített példa, természetesen az egész fej tartalmaz jelet ): homogén tér 1 csúcs az NMR spektrumban gradiens bekapcsolása egynél több jel, a gradiens irányától függően

27 Képalkotás alapjai szelet térfogatelemek (voxelek) 2D projekció pixel színe/árnyalata a mért paraméter aktuális értékétől függ n n pixel, felbontás a módszer érzékenységétől függ 2D képek 3D rekontsrukció

28 Szeletkijelölés MRI-ben B 0 merőleges a szelet síkjára mágneses tér gradiens (szintén merőleges a kívánt szelet síkjára) és az Rf impulzus egyidejű alkalmazása (pl. 90º-impulzus) csak a rezonancia feltételt teljesítő spinek gerjeszthetők helyfüggő szeletvastagság: gradiens meredeksége Rf impulzus sávszélessége

29 Back projection (visszavetítéses) MRI Hagyományos impulzus szekvencia: szeletkijelölés: Rf impulzus + szeletkijelölő gradiens (G S or G z ) G x és G y lineáris kombinációja különböző irányú mágneses tér gradinesek az XY síkban (kijelölt szelet) jel/spektrum detektálása jelek helyének lokalizálása

30 2D Fourier transzformációs eljárás Gyakorlatban ezt alkalmazzák szeletkijelölő gradiens fáziskódoló gradiens frekvenciakódoló gradiens C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

31 1. A szeleten belül a homogén B 0 mágneses térben az összes spin együtt precesszál 2. fáziskódoló gradiens eltérő precessziós frekvencia az x- tengely mentén G Φ 3. fáziskódoló gradiens kikapcsolása azonos precessziós frekvencia, de a fáziskülönbség megmarad frekvenciakódoló gradiens bekapcsolása az y-tengely mentén jel detektálása G f Ld. mellékelt pps file

32 Általános séma: Letapogatás 128, 256, 512, 1024 stb. lépcsőben! Utána itt is egy lépcső váltás, majd G Φ ismétlése n n FID 2D FT n n összetartozó frekvencia (hely) és amplitúdó (intenzitás) képalkotás Inhomogenitás kiküszöbölése ekhó detektálása (180 -os impulzus és szeletkódoló gradiens egyidejű beiktatása G Φ után, detektálás az ekhó idejére időzítve) különböző impulzusszekvenciák az alkalmazástól függően

33 MRI felbontása: Jel/zaj arány Képméret/pixelek száma; szeletvastagság: pixelszám nő, szeletvastagság csökken jobb felbontás de! túl nagy pixelszám, ill. kis szeletvastagság esetén nem lesz elegendő jelet adó spin jel/zaj arány romlik T 2 : spin-spin relaxációs idő csökken felbontás csökken (rövidebb ideig van jel) mintavételezés

34 Többszeletes képalkotás: időmegtakarítás impulzusszekvenciák közötti ismétlési időt a spin-rács relaxáció határozza meg (általában sec várakozási idő) ezalatt az idő alatt másik szeletet gerjesztenek ν 1 ν 2 ν 3

35 Az MRI kép kontraszt spin denzitás (ρ), T 1 és T 2 függő Szövet T 1 (s) T 2 (ms) ρ CSF 0, Fehér áll. 0,76 1, Szürke áll. 1,09 2, Izom 0,95 1, ρ= vízben oldott 12 mm Ni Cl 2 esetén

36 Kontrasztozási lehetőségek az MRI-nél I. Belső kontraszt: különböző szövetek eltérő relaxációs ideje alapján detektálás és ismétlés megfelelő időzítése! Protondenzitás T 1 -súlyozott T 2 -súlyozott A B A B A B A B A Példa: hasonló 1 H koncentráció T 1,A >T 1,B T 2,A >T 2,B M XY rövid t d hosszú t i rövid t d rövid t i közepes t d hosszú t i T 2,A detektálás T 2,B idő T 1,B M Z T 1,A ismétlés idő protondenzitás T 1 T 2 C. Boesch, Molecular aspects of medicine :

37 Tumor detektálás Damadian: Tumor T 1 = 1.5 x (normal tissue T 1 ) tumor CT T 1 MRI

38 Vizsgált objektum mozgatása nélkül különböző irányú síkok vizsgálhatók axiális (fej, angiográfia) koronális (fej) szagittális (térd) Néhány speciális alkalmazás: diffúziós MRI: random molekuláris mozgások (víz diffúziója) és a diffúziót akadályozó struktúrákkal való kölcsönhatások detektálása, kvantitatív jellemzése; diffúzió irányfüggése (szöveti rendezettség) funkcionális MRI (BOLD vér oxigénszinttől függő kontraszt, pl. agyi aktivitás nyomon követése) mágneses rezonancia spektroszkópia (MRS) emberi test felületére helyezett tekercsekkel anyagcsere folyamatok nyomon követése a spektrumvonalak arányainak változása alapján mágneses rezonancia mikroszkópia MRI vs. CT: MRI-ben nincs ionizáló sugárzás, lágy szövetek kontrasztozási lehetősége (spindenzitás és relaxációs idők alapján)

39 Véroxigénszint-függő MRI kontraszt (BOLD) fmri legismertebb formája Pl. agyi aktivitás vizsgálata Hemoglobin: oxigénnel telített formában diamágneses; oxigén nélkül paramágneses T 2 súlyozott kép felvétele MR jel intenzitása függ a vér oxigénszintjétől magasabb oxigénszint magasabb intenzitás (T 2 hosszabb; nagyobb BOLD kontraszt) BOLD kontraszt: oxi- és deoxi-hemoglobin aránya véráramlás és az oxigénfogyasztás befolyásolja Kiegészítő anyag Washington Irving engedélyével

40 Kiegészítő anyag Mágneses rezonancia spektroszkópia (MRS)

41 Mágneses rezonancia mikroszkópia (μmri vagy MRM) MRI kisebb mérettartományban térbeli felbontás: 100 μm 3 Tesla, 37 C 9.4 Tesla, 37 C 11.7 Tesla, 15 C Kiegészítő anyag J.M. Tyszka et al., Curr. Op. Biotechnol : 93-99