MEDT8002 Ultralyd bildediagnostikk Faglærer: Hans Torp Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk Story: Myocard. Deseases important. Noninvasive methods desirable (Viability, perfusion, mechanical stress/strain) Ultrasound principles (one slide). Increasing aperture Cardiac imaging from bathtube to realtime) Stress echo Poor image quality need for contrast Perfusion imaging - second harmonic Octave improves image quality Doppler blood flow important for valve and diastolic function Color flow give detailed filling info, difficult to relate to regional function Tissue Doppler more directly related to muscular movement Integrated effect from apex TVI simultaneous vel. Measurement over 2D plane Displacement imaging Strain rate and strain imaging High frame-rate methods Q-stress Hans Torp NTNU, Norway

Introduksjon Litt ultralydfysikk og historisk tilbakeblikk Ultralyd avbildning Ultralyd Doppler for måling av hastighet I blod og vev Story; M-mode to real-time 2D Next step 3D ??? No, No, ……… Stress echo Poor image quality need for contrast Perfusion imaging - second harmonic Octave improves image quality Hans Torp NTNU, Norway

Hva er ultralyd? Lydbølger Hørbar lyd Ultralyd Diagnostisk ultralyd Forplantningshastighet c Bølgelengde L Frekvens f Sammenheng: L = c / f Hørbar lyd f = 20 - 20.000 Hz Ultralyd f > 20.000 Hz Diagnostisk ultralyd f > 2.000.000 Hz L c f Mannsstemme: ~ 1 - 2 meter 330 m/s (luft) 165 - 330 Hz Damestemme: ~ 0.5 - 1 meter 330 m/s (luft) 330 - 660 Hz Medisinsk Ultralyd: 0.1 - 1 mm 1540 m/s (bløtt vev) 1.5 - 15 MHz

Utsendt lydfelt påvirkes av lydkildens størrelse og bølgelengden L c f Mannsstemme: ~ 1 - 2 meter 330 m/s (luft) 165 - 330 Hz Damestemme: ~ 0.5 - 1 meter 330 m/s (luft) 330 - 660 Hz Medisinsk Ultralyd: 0.1 - 1 mm 1540 m/s (bløtt vev) 1.5 - 15 MHz

Ultrasonic M-Mode (Motion Mode) Echoes from tissue structures are received and displayed First Cardiac trials by Edler and Hertz in 1953 Hans Torp NTNU, Norway

Real-time Ultrasound B-mode 1974 Vis film Hans Torp NTNU, Norway N. Bom & al. “Multiscan EchoCardiograph” Ultrasound in Medicine aug. 74

Doppler blood flow meter Pedof 1976 Blood velocity Mitral inflow Normal relaxation Delayed relaxation

Fourier transform - measure bloodflow Gaussian Random process - ultrasound signal Analog computer diff. equation solver - model of the cardiovascular system Bernouli equation - from blood velocity to pressure

Probe 32-128 elementer (bare noen få vist her) Stråleforming i hovedplanet for styring og fokusering av strålen Akustisk linse for fokusering i den andre dimensjonen

Strålestyring Mekanisk Elektronisk Først strålestyring: Deviktigste prinsippene- strålestyring - makansik - elektronisk. Mekanisk: motor -stag snor -- transducer - F.eks. sektor (eller translaterende) Bilderate : 60 sveip per sekund. Velegnet for hjerte - smal transducer. Elektronisk: Mange XD-elementer - 64 - 128 - 196. Like mange ledninger. Styrer strålen: 1. Sende/motta på en gruppe - flytte denne. 2. Justere sende/mottakertidspunktet elektronisk. Åge Grønningsæter

1996 System Five 128 kanaler Elektronisk scanning Mekanisk scanning 2000 Vivid 7 128 kanaler Elektronisk scanning 1986 CFM 700 5 kanaler Mekanisk scanning

Elektronisk strålefokusering Styring og fokusering Strålefokusering kan også foregå elektronisk. Ved å sende på de forskjellige elementene til litt forskjellig tid kan man få bidragene fra elementene til å følge en virtuell sirkelbue. Send først på ytterste, så på innerste. Man kan velge dybden på fokus ved å sette opp bestemte forsinkelser. Elektronisk strålestyring som vist tidligere kankombineres med fokusering. På mottaging kan man tilsvarende motta på alle elementer samtidig, men forsinkesignalet på de midterste elementene slik at man får en virtuell krumning også på mottaking. Denne kan forandres under mottaking som vi skal se: Åge Grønningsæter

Received Echoes from close objects 2 1 Objects probe elements

Digital Beam Former Data per scanline: 3 M bytes A / D 134 #Channels: 100 # digits per echo signal: 30.000 Data per scanline: 3 M bytes Data per image: 150 M bytes Data per second: 1200 M bytes

Real-time 2D B-mode Wall motion assessment ))) ))) Hans Torp NTNU, Norway

Ultrasound Probes Phased array Linear array Curve-linear array Small footprint 90 deg. sector format Linear array High resolution Limited width Curve-linear array Large image width Large near field Hans Torp NTNU, Norway Ultrasound Probes

Ultralyd kan brukes til å avbilde de fleste organer Hjerte, 4kammer snitt Nyre Lever med galleganger Tvilling fostere Foster 3 ½ mnd

Oppløsning (skarphet) Probe-diameter D F: Fokaldybde L D Blenderåpning F-tall f# = F/D Bølgelengde: L Oppløsning: f#  L F: Fokaldybde Eksempel Foto: L = 0.9 e-3 mm f# = 5.6 Oppløsning: 0.005 mm ~ 50000 dpi Eksempel Ultralyd: L = 0.5 mm (3 MHz) f# = 8cm/2cm= 4 Oppløsning: 2 mm ~ 125 dpi Større probe -> Bedre oppløsning Høyere frekvens -> Bedre oppløsning

Embryo 7 uker. Ca 13 mm langt Simulert ultralydbilde Høyere frekvens gir bedre oppløsning

3D Transvaginal ultrasound The Lancet: In-vivo three-dimensional ultrasound reconstructions in the embryonic and early fetal period Harm-Gerd Blaas 1, Sturla H. Eik-Nes 1, Sevald Berg 2, Hans Torp 2;

Lyden forandrer frekvens ved bevegelse Bilens hastighet: 70 km/time ~ 6% av lyd-hastighet Ét halvtone-trinn i 12-toneskalaen: 2 = 5.94 % Endring i frekvens (turtall): 6% + 6% = 12 % 1/12 Hans Torp NTNU, Norway

Color Doppler velocity imaging PW Doppler: Velocity from one point Color M-mode: Velocities along a line Color flow imaging: Velocities in the whole image

Tissue Velocity Imaging Systole Early relax. Atrial systole Curved M-mode Moving upward Moving downward Hans Torp NTNU, Norway

Wall motion quantification Strain rate Tissue velocity Strain rate Systole Early relax. Atrial systole Curved M-mode v1 SR L v2 Shortening No change Elongation Adapted from J-U. Voigt and A. Heimdal

Real-time 3D imaging 2D matrix array 32-192 elements in a 1D array 32*32 ... 96*96 elements in a 2D array 1000 - 10000 elements Cable Electronics Beamformer 50 x 1 elements 50 x 50 =2500 elements

Sanntid 3D Azimuth Elevation