Bildgebender Ultraschall (U/S)

(Sonographie)

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Sonar als Folge der Titanic

1912

– Titanic versinkt

– Meteorologe Lewis Richardson

erhält erstes Sonar-Patent

Sonar (=sound navigation and ranging)

1914

– Erstes brauchbares Gerät des

Kanadiers Reginald Fessenden

– Kann Eisberge auf

2 Meilen Distanz erkennen

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Gepulste Ultraschalltechnik

1914

– Physiker Paul Langévin (*1872 - 1946)

und Constantin Chilowsky wenden Röhren zur Verstärkung

– „Hydrophon“ als erstes hoch verstärkendes Ultraschall-Echo Gerät

1916

– Erste Ortung eines U-Bootes im Atlantik mit folgendem Beschuss

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Frühes B-Bild mit Transmission

1947

– Dussik veröffentlicht

erste medizinische

Ultraschallbilder

– “Hyperphonography"

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History: Brain ultrasound

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From Sonar to Medical

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2D - Ultraschallschnittbild

1963

– Richard Soldner1935-2012 (Siemens) stellt Prototyp des VIDOSON vor

– Erstes Realtime-Ultraschallgerätauf dem Weltmarkt

– Klinische Erprobung in der Frauenklinik der Universität Münster & Würzburg

Erstes Real-Time Bild der Mama 1963

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Geschichte

Schall ist mechanische Energie, wird in biologischem Gewebe

absorbiert und in Wärme umgewandelt

Mit Ultraschall-Stoßwellen können Druckspitzen erzeugt werden, die

Nieren- und Gallensteine zerstören (oder Gewebe „verkochen“,

HIFU)

„Lithotripsie“ seit der 80er Jahre, keine Operation

Erste Anwendung in der medizinischen Diagnostik erfolgte 1942

(Durchschallung des Schädels zur Darstellung der Ventrikel)

Seit Ende der 1940er Jahre entwickelte sich die Sonographie

gleichzeitig innerhalb verschiedener medizinischer Fachrichtungen

(Kardiologie, Ophthalmologie, Gynäkologie, usw.)

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Überblick

Ultraschall ist Schall mit einer Frequenz jenseits der menschlichen

Hörschwelle (ab 20 kHz bis 1 GHz)

In der Diagnostik verwendet man Frequenzen zwischen 1 und

40 MHz (Spezialanwendungen bis 100 MHz) bei einer mittleren

Schallintensität von 100 mW/cm² (Doppler bis 1,5 W/cm²)

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Mehl = Röntgen

l =1..100 pm

Reis = US

l =0,1..1 mm

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40 Jahre Geräteentwicklung

2006

Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung

Ultraschall

18.11.2009 14 / 100

Schallgeräte

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Überblick

Ultraschallwellen werden mit in der Sonde angeordneten Kristallen

durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt

Von Bedeutung für die Schallausbreitung in einem Material ist der

Widerstand, der der Ausbreitung von Wellen entgegenwirkt

(Impedanz)

An der Grenzfläche zweier Stoffe mit großem Impedanzunterschied

wird der Schall stark reflektiert

⇒ Ankoppelung der Ultraschallsonde mittels eines stark wasserhaltigen

Gels (damit der Schall nicht von der Luft zwischen dem Sondenkopf

und der Hautoberfläche reflektiert wird)

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Überblick

Die Sonde sendet kurze, gerichtete Schallwellenimpulse aus, die in

den Gewebeschichten unterschiedlich stark reflektiert und gestreut

werden (Echogenität)

Gering echogen sind vor allem Flüssigkeiten (z.B. Harnblaseninhalt, Blut)

Hohe Echogenität besitzen dichte (Knochen) und dünne (Gase) Materialien

Aus der Laufzeit der reflektierten Signale kann die Tiefe der

reflektierenden Struktur rekonstruiert werden

Die Stärke der Reflexion wird vom Ultraschallgerät als Grauwert auf

einem Monitor dargestellt

Strukturen geringer Echogenität sind schwarze, Strukturen hoher

Echogenität weiße Bildpunkte

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Schallgeschwindigkeit

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Schallwellenerzeugung

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Grundschaltplan eines Echo-Impulsgeräts

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Ultraschallwandler

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Schallfeld eines Transducers

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Schallkopf Geometrie

sector probe

linear arrays

curved arrays

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Transducer (Schallköpfe)

High frequency

pediatric sector

probe

Curved probe for adult

abdominal imaging

Mechanically scanned

curved array for 3D

imaging

Adult sector

cardiac probe

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Auflösung

Örtliches Auflösungsvermögen: Maß für die Fähigkeit eines

Messgeräts nah beieinander liegende Objekte getrennt

wahrnehmen zu können

Man unterscheidet Auflösungsvermögen in Richtung der

Strahlachse (axial) und senkrecht zur Achse (lateral)

Auflösung ist wellenlängeabhängig

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Auflösung

Axial resolution

Elevational resolution

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e.g. cs = 1540 m/s, f = 1MHz => l = 1.5 mm

Wellenlänge

fcs /=l

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AuflösungAxiale Auflösung Laterale Auflösung

z l / 2

Minimaler Abstand x von zwei

Grenzflächen (A,B) entlang der

Schallausbreitungsrichtung x, der noch

unterschieden werden kann

x ~ 3 l

Minimaler Abstand x von zwei

Grenzflächen (C,D) senkrecht zur

Schallausbreitung, so daß die dazwischen

liegende Lücke noch erkannt wird

Schallsender

C

Dz

x

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Axiale Auflösung

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Schallwellenausbreitung

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Ausbreitung im Körper

Absorption: ultrasound energy

converted to thermal energy

Reflection: at smooth material

boundaries with impedance gradients

Scattering: at smaller point-like

geometries

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Absorption

=

1dB

MHz cm

Schallenergie wird in Wärme

umgewandelt

Material- und Frequenzabhängig

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Reflexion

Reflexion Impedanz

2

21

21

=

ZZ

ZZR Z v=

Beispiele:

Knochen/Gewebe R=30%

Übergang zu Luft R=100%

Gewebe (typisch) R=1%

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Reflexion

Medium 1 Medium 2Incident wave

Reflected wave Transmitted wave

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Reflexion und Brechung

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Reflexion und Brechung

2,

1,

sin

sin

s

s

t

i

c

c=

Material 1 1, cs,1 Material 2 2, 2s,2

i

rt

incident

transmitted

reflected

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Beispiele

Material 1 – Material 2 Reflected portion R2

Brain – skull bone 43.5 %

Fat – muscle 1 %

Fat – kidney 0.6 %

Muscle – blood 0.1 %

Soft-tissue – water 0.25 %

Soft-tissue – air 99.9 %

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Reflektierte Energie

PR =0,018 mW

PR =0,019 mW

PR =0,014 mW

PR =0,012 mW

PR =0,0007 mW

PR =0,0005 mW

Fett

Muskel

Fett

Muskel

Blut

z

P0 =10 mW

8,8 mW

1,7 mW

1,5 mW

0,3 mW

0,26 mW =1/40 P0

Wasser

Wasser

US 1,7 MHz 10 mW

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Reflexion und Streuung

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Streuung

Wellenpaket trifft Streukern mit Radius a

a << Wellenlänge: Rayleigh

Intensität proportional zu f 4

Interferenzen zwischen benachbarten Streuer = speckle

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Charakterisches „Speckle“

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Dämpfung = Absorption + Streuung

Tissue /f dB cm-1MHz-1

Muscle 2

Fat 0.5

Brain 1

Blood 0.2

Bone 4 ...10

30 ... 90

Water 0.002

cmMHz

dB1

log

100

10

2

=

dfdx

IId

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Typische Halbwertdistanzen

Material Half power distance d / cm

f = 2 MHz

Water 380

Blood 15

Soft tissue 1 to 5

Muscle 0.6 ... 1

Bone 0.2 ... 0.7

Air 0.08

Lung 0.05

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Dämpfung/Schwächung: Eindringtiefen

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Das Auflösung vs. Tiefe Dilemma

High frequency = high resolution

Low frequency = decreased resolution

High frequency increased attenuation decreased penetration with increased resolution

Low frequency less attenuation better penetration with decreased resolution

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Hohe Auflösung oder Eindringtiefe ?

f [MHz] Ortsauflösung [mm]l [mm] Eindringtiefe [cm]

axial lateral

3,5 0,44 7 1,7 0,5

5 0,31 5 1,2 0,35

15 0,1 1,7 0,4 0,25

3,5 bis 5 MHz: Herz und Bauch

5 bis 10 MHz: Schilddrüse und Brust

10 bis 100 MHz: Auge und Haut

30 0,05 1,5 0,05 0,2

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Resolution vs. frequency

4 MHz 14 MHz

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Doppler-Effekt

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Doppler CW

Speed spectrum vs. time

Example: Blood velocity at opening of aortic valve

Normal: systolic outflow v = 1 m/s

Here: v = 3.5 m/s, showing a flow back into ventricle

=> aortic valve does not close completely during diastole

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Color flow Doppler

Example: Varicosity in the leg

Large clot to be seen

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Ultraschallkontrastmittel

Anwendung

– Echokardiographie (Langer Laufweg = hohe Dämpfung)

– Abdomensonographie

Kontrastmittel bestehen aus Mantel (Hülle) und Luftinhalt

– Größenbereich von wenigen Mikrometern

– Damit meist kapillargängig

Wirkungsweise der Ultraschallkontrastmittel Reaktionen der „Bläschen“ auf dien Schalldruck

– Reflektion

– Resonanz

– Oberwellen (Nichtlinearitäten)

– Zerplatzen

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Reaktion auf Schalldruck

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Wirkungsweise Ultraschallkontrastmittel

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Bildgebung

Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung

Ultraschall

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A-Mode, TM-Mode

Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung

Ultraschall

18.11.2009 59 / 100

B-Mode

Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung

Ultraschall

18.11.2009 60 / 100

Abtastprinzipien

Mechanisch „Array“

Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung

Ultraschall

18.11.2009 61 / 100

Variation „Array“

„Linear-Array“ „Konvex-Array“

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Phasen-Array

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Variation „Array“: „Phased-Array“

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Bewertung

+ Kleine Ankoppelfläche

- Fester Fokus

+ Hohe Bildqualität

+ Mikrobauweise

+ Günstig

+ Große Ankoppelfläche

+ Elektronischer Fokus

+ Keine Mechanik

+ Sehr flexibel

- Teuer

Mechanisch Array

Herz

KörperöffnungenBauch

Gynäkologie

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3D Ultraschall

Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung

Ultraschall

18.11.2009 66 / 100

3D-BildaufzeichnungAuswertungs-

PC

Ultraschallgerät

Optisches

Tracking

Schallkopf

mit LED‘s

Prinzipien:

optisch

elektro-magnetisch

mechanisch

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Scanning & Resampling

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Fetuses

Bildgebende Verfahren in der Medizin und medizinische Bildverarbeitung

Ultraschall

18.11.2009 69 / 100

Surface visualisation

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Farbe & Glätte

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Foetuses

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S-W und Farbe

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Zwilinge

74 / 100

Fetus with malformation

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Quality Control

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Ophthalmology Videos

77

Angio

78

Fly-through

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Cardiology (B-mode)

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Typische Artefakte bei der US-Bildgebung

Hinter schwach dämpfenden Gebieten

kommt es zu einer scheinbaren

Signalerhöhung durch die TGC

(Time Gain Compensation)

Hinter schrägen Kanten, die relativ stark

spiegeln, kommt es zu Abschattungen

Bei zwei stark reflektierenden, ungefähr

parallelen Grenzflächen kann es zu

Mehrfachreflexionen kommen

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Typische Artefakte bei der US-Bildgebung

Objekte vor stark reflektierenden

Flächen können als virtuelles Bild

doppelt erscheinen

Objekte hinter Gebieten mit

abweichender Schallgeschwindigkeit

erscheinen verschoben

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Sicherheitsaspekte

U/S-Wellen können den Körper auf zwei Arten schädigen

– Wärmeeinwirkung (Schallintensität)

– Kavitation (Schalldruck)

Schädigungsgrenzen für diagnostisch angewendeten Ultraschall

(nach W.L. Nyborg)

Klinische Beispiele

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U/S 9. und 20. Schwangerschaftswoche

1. Klinische Anwendung

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Baby Lippen

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Tumorendiagnostik

88 / 100

Tumorendiagnostik

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Muskeldiagnostik

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Traumatologie

91 / 100

Endokrinologie

92 / 100

Endokrinologie

93 / 100

Kardiologie

94 / 100

Cardiology (B-mode)

95 / 100

Kardiologie

96 / 100

Kardiologie

97 / 100

Dermatologie

Technische Details:

• 20-100 MHz

• axiale A.: 60 m

• laterale A.: 200 m

• max. Tiefe: 15 mm

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Zusammenfassung

Vorteile Ultraschall

– Universal & Vielseitig: von fast allen medizinischen

Fachdisziplinen genutzt

– Risikoarm/-los, nicht invasiv, schmerzlos, strahlenexpositionsfrei

– Hohen Verfügbarkeit, Portabilität

– Schnellen Durchführung

– Geringe Anschaffungs- und Betriebskosten

– Aufwendige Strahlenschutzmaßnahmen und –belehrungen

entfallen

– Freie Schnittführung der Sonden erlaubt Kontrolle über

gewünschtes Schnittbild in Echtzeit

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Zusammenfassung

Nachteile Ultraschall

– Geringe Objektivität des Verfahrens

– Qualität der gewonnenen Bilder hängt von vielen Faktoren ab:

Position des Patienten, Geräteeinstellungen, Handhabung der

Sonde

– Hand-Auge-Koordination

– Subjektive Eindruck mit normaler Anatomie vergleichen ⇒

Erfahrung

– Bei der Untersuchung werden Standbilder ausgedruckt

– Geringere Raumauflösung als CT und MRT

– Weichteil-Kontrastauflösung ist der der MRT unterlegen

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Danksagung

Herzlichen Dank an:

Dr. Ronald Blechschmidt-Trapp, Braun GmbH, Kronberg

(ehemals Institut elektromechanische Konstruktionen, TUD)

Dr. Björn Heismann, Friedrich-Alexander Universität Erlangen

Marion Jähne, GRIS, TU Darmstadt

B. Arnolds, Universität Freiburg