Physikalische Grundlagen der Nuklearmedizin/ Sonographie
Aus Wikibooks
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Einleitung
Dies ist das n-te Kapitel des Wikibooks Physikalische Grundlagen der Nuklearmedizin
Sonographie ist eine Anwendung des Sonars in der medizinischen Bildgebung, mit der die Oberfläche innerer Organe und ihre innere Struktur dargestellt werden können (siehe Bild unten). Diese Art der Bildgebung hat den Vorteil, dass ausschliesslich nichtionisierende Strahlung verwendet wird, daher setzt man sie häufig ein, um anatomische Zusatzinformationen zu nuklearmedizinischen Bildern zu erhalten. Dieses Kapitel bietet eine Übersicht über die wesentlichen Eigenschaften sonographischer Bildgebung.
Wir beginnen mit einer Übersicht über die relevanten Eigenschaften von Schallwellen und wenden uns später den einzelnen Verfahren im Detail zu.
[Bearbeiten] Schallwellen
Schallwellen wie sie sich z. B. in Luft ausbreiten, stellen periodische Änderungen des Luftdrucks dar, also veränderliche Regionen hoher und niedriger Dichte der Luftteilchen.
Diese Longitudinalwellen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit v von etwa 
in Luft bei Normalbedingungen und mit höheren Geschwindigkeiten in dichteren Medien, wie z. B. Wasser oder weiches Gewebe. In der Tat benötigen mechanische Wellen ein Medium, in dem sie sich ausbreiten können. Der Satz Im Weltraum hört Dich niemand schreien, aus der Werbung zum Kinofilm Alien ist daher physikalisch korrekt. Eine Folge von einer Region hoher und einer Region niedriger Dichte wird auch eine Periode der Welle genannt (siehe Abbildung oben). Die Wellenlänge λ ist definiert als die Länge einer Periode und die Frequenz f als die Anzahl der Perioden, die einen raumfesten Ort pro Sekunde passieren. In Deutschland wird auch der Buchstabe c für die Schallgeschwindigkeit und der Buchstabe ν für die Frequenz verwendet. Diese Grössen stehen der folgenden bedeutenden Beziehung zu einander:
Das menschliche Ohr kann Schallwellen bis zu einer Frequenz von ca. 20 KHz wahrnehmen. Wellen mit höhren Frequenzen werden als Ultraschall bezeichnet. In der diagnostischen Sonographie werden jedoch viel höhere Frequenzen, im Bereicht von etwa 1MHz bis 15MHz verwendet. Die unteren Frequenzen in diesem Bereich können verwendet werden um grosse tief liegende Strukturen abzubilden. Hohe Frequenzen können bei kleinen Strukturen nahe an der Oberfläche betrachtet werden.
| Medium |
|
|---|---|
| Luft |
|
| Hirn |
|
| Niere |
|
| Leber |
|
| Muskelgewebe |
|
| Fettgewebe |
|
| Weiches Gewebe (Mittelwert) |
|
Die Geschwindigkeit von Ultraschallwellen entspricht der von Schallwellen im selben Medium. Sie ist in der folgenden Tabelle für einige innere Organe angegeben. Man beachte, dass eine im allgemeinen eine Geschwindigkeit von 1540 m/s für weiches Gewebe in der Sonographiscehn Bildgebung angenommen werden kann. Diese Zahl ist ein Mittelwert der entsprechenden Werte für einzelne Arten von Gewebe Muskeln und Organen.
Ultraschallwellen für die sonographische Bildgebung werden meist in einzelnen Pulsen erzeugt. Wobei die Zeit zwischen den Pulsen verwendet wird um die Echos der Ultraschallwellen aus dem Körper zu messen. Diese Technik verwendet das sogenannte Echo-Puls Prinzip, wie es im Diagramm unten dargestellt ist. Die obere Hälfte des Diagramms zeigt einen Ultraschallsender, der einen Ultraschallpuls in einen hypothetischen Körper, welcher der Einfachheit halber nur aus zwei Gewebesorten bestehen soll, sendet. Die untere Hälfte des Diagramms zeigt die Situation nachdem der Ultraschallpuls die Grenze zwischen den beiden Gewebesorten passiert hat. Man erkennt einen relektierten Puls (bzw. ein Echo), das sich wieder zurück auf den Sender zu bewegt, sowie den transmittierten ursprünglichen Puls der sich im zweiten Medium weiter ausbreitet.
Die Zeitdauer die der Puls braucht um, nachdem er im Sender erzeugt worden ist, zur Grenze der beiden Gewebe zu gelangen plus der Zeit die der reflektierte Puls braucht um zum Sender zurückzukehren nennt man Puls-Echo Zeit t. Sie erlaubt die Messung der Tiefe d der Gewebegrenze d nach der folgenden Formel.
Man beachte,
- Es wird die mittlere Geschwindigkeit von Ultraschallwellen in Gewebe verwendet.
- Der Faktor 2 tritt auf weil der Puls und das Echo die selbe Strecke zurücklegen müssen. Der gesendete Puls vom Sender zur Schnittstelle und der Echopuls von der Schnittstelle zurück zum Sender
Ultraschallsender verwenden das piezoelektrische Prinzip und regen dadurch den Kristall zu Schwingungen im Ultraschall Frequenzbereich an. Diese Schwingungen übertragen sich auf das umgebende Medium (Gewebe) und erzeugen dort Regionen höhere und niedriger Dichte die sich als Wellen durch Gewebe ausbreiten. Echos aus dem Gewebe werden dann im selben Kristall detektiert in dem der Piezoelektrische Effekt in Umgekehrter Richtung ausgenutzt wird.
Die Ultraschallpuls werden während sie sich durch das Gewebe ausbreiten gedämpft. Es kommt zur vier wichtigen Effekten wenn eine Ultraschallwelle auf eine Grenzfläche zwischen zwei Geweben trifft. Diese sind in der folgenden Abbildung dargestellt.
| Schnittstelle |
|
|---|---|
| Weiches Gewebe -Luft |
|
| Fett - Muskel |
|
| Fett - Nierer |
|
| Muscle - Liver |
|
Ein Teil der Energie des Pulses wird ungerichtet gestreut. Eine weiterer Teil erzeugt ein Echo durch gerichtete Reflexion. Ein weiterer Teil wird durch die Grenzfläche hindurch transmittiert und kann an weiteren Grenzflächen erneute Reflektionen hervorrufen. Ein kleiner Teil der Energie wird an der Grenzfläche absorbiert. Die Reflektivität einer Grenzfläche hängt von den Schallkennimpedanzen der beiden beteiligten Gewebe ab. Reperesentative Werte sind in der Tabelle aufgeführt.
Man erkennt aus der Tabelle dass es zu eine Starken Reflektion an der Grenzfläche von Luft und weichem Gewebe kommen kann. Daher wird ein Koppelmedium zwischen dem Sender und der Haut des Patienten verwendet. Körperinterne Reflektionen weisen wie man aus der Tabelle sieht einen Reflektionsgrad in der Grössenordnung von 1% auf, was eine hinreichende Transparenz für die Bildgebung bedeutet.
[Bearbeiten] Ultraschall Scanner
In der Ultraschalltechnik ist es üblich die reflektierten Schallwellen mit den selben Bauteil zu empfangen mit dem sie erzeugt werden. Als Bezeichnung hat sich daher neben Sender/Empfänger die Bezeichnung Transducer (Englisch für Umformer) eingebürgert, die wir im folgenden verwenden werden. Ein vereinfachtes Blockbild eines Ultraschallsystems ist in der Abbildung unten gezeigt. Der gezeigt Scanner arbeitet mit einem Parallelschallkopf, den wir in kürze im Detail kennen lernen werden. Wir sehen den zentralen Zeitgeber oben rechts im Bild. Dieser Schaltkreis legt die Anzahl der Ultraschallpulse fest, die der Transducer pro Sekunde erzeugt. Dieser Faktor wird als Pulswiederholrate ('PWR) bezeichnet. Man sieht ferner, dass die von Transducer empfangenen Echopulse durch einen Emfangsverstärker verstärkt werden, an dessen Ausgang sich ein Demodulator befindet der seine Singale and einen Scan Konverter weitergibt, so dass die Amplitude der detektierten Echo angezeigt werden kann.
Ein Zeit-Verstärkungs-Kompensationskreis (TGC) führt zu selktiver Verstärkung zur Selektiven Verstärkung Echos. Entfernte Echos werden stärker verstärkt als nahe, um für die Dämpfung über die längere Signallaufstrecke zu kompensieren. Der Demultiplexer wird verwendet um die einzelnen Kristalle im Transeducer nacheinander anzuregen.
Im einfachsten Aufbau werden die Kristalle hinereinander mit jeweils einem Spannungspuls angeregt. Diese emmitieren daraufhin einer nach dem anderen jeweils einen Ultraschallpuls. So dass das Gewebe Zeilenweise geschallt wird. Üblicherweise geschieht dies in schneller Folge mehre Male hintereinander. Das dabei entstehende Ultraschallbild wird auch als B-Mode Scan bezeichnet. Es besteht aus einer zweidimensionalen Darstellung des Echo-Puls-Musters, in einem Querschnitt durch das Gewebe, wobei die sich Transducerposition am oben Bildrand befindet. Die Orte mir hoher Echointensität werden meist als helle Punkte auf dunklem Hintergrund dargestelllt, wobei die Amplitude der Echopulse durch Zwischenwerte als Helligkeit der Pixel dargestellt wird. Die folgenden Abbildung wurde mit einem ähnlichen Verfahen erzeugt.
Genaugegenommen wurde für das Bild ein aufwändigerer Empfänger verwendet, ein sogeannter Sektorscanner. Ein Sektorscanner nimmt wie der Name soch sagt ein Sektorförmiges Bild auf. Im Englishen wird der Sektorscanner als Phased Array Transducer bezeichnet. Der Bergiff Phased Array wird häufig unverändert in deutsche übernommen, und findet als Funktionsprinzip nicht nur im Ultraschallbereich sondern z.B. auch in der Radartechnik (gerne auch militärisch) Verwendung. Ein PhasedArray- bzw. Sektor- Scanner besteht aus einigen kleinen Kristallen die auf einer Linie angeordnet sind. Sie werden nun in geschickter Weise zeitversetzt angesteurt, wie im Bild unten andeutungsweise gezeigt wird. Die Richtung und Fokussierung des Ultraschallstrahls kann allein durch diese Ansteuerung der Kristalle modifiziert werden.
Es gibt viele weitere Transducer Anodrnungen, die jeweils in bestimmten Klinischen Anwendungen ihre besonderen Vorzüge haben. Zwei Bauformen mechanischer Transducer sind unten als Beispiele gezeigt. Links ist ein Transducer dargestellt, der während der Aufnahme vor und zurück gezogen wird. Rechts higengen sieht man einen Aufbau aus mehreren rotierenden Einzelkristallen.
|
|
Das Blockschaltbild der Umwandlungselektronik ist in der folgenden Abbildung dagestellt.
Die Abbildung zeigt den Prozess der Digitalisierung des Echo Signals mit Hilfe eines Analog-Digital Konverters (ADC) und die vorverarbeitung des Singals mit einer Eingangskonversionstablle (Input look up table ILUT), vor der Speichung in einem wahlfrei zugreifbaren Speicher (random access memory RAM). Das RAM wird der Reihe nach mit den Daten die beim Scannen des Patienten entstehen gefüllt und in einer für das Anzeigegerät geeigneten Weise ausgelesen. Vor der Anzeige können die Bilddaten nachbearbeitet werden indem eine Ausgangskonversionstabelle (Ouput look up table OLUT) verwendet wird, so dass Kontrastverstärkung oder andere Nachbearbeitungen vorgenommen werden können.
Wir einnern uns, dass wir diese art der Bildverarbeitung bereits in einer algemeineren Form im einem vorhergehenden Kapitel dieses wikibooks behandelt haben. Der Kasten mit der Bezeichnung Prozessor stellt einen Mikroprozessor dar welcher verwendet wird um den Scan und Konversionsprozess, sowie viele weitere Funktionen des Gerätes (wie zum Beispiel die zeitliche Abfolge des Senden und Empfangen der Pulse beim Phased-Array-Transducer), zu steuern.
Eine häufig in der Sonographie benutzte Auflösung ist 512 x 512 x 8 -bits- ein vergrößerter Ausschnitt des ober bereits gezeigten B-Mode Scans der Leber eines Patienten ist unten gezeigt um die Digitale Natur des Bilder zu verdeutlichen.
Wir beschließen diesen Abschnitt mit Photos eines Sonographischen Systems und einiger typischer Transducer.
|
|
|
|
[Bearbeiten] Doppler Ultraschall
Der Doppler Effekt wird häufig verwendet um die Bewegung entfernter Gegenstände zu vermessen. Er wird in der medizinischen Sonographie verwendet um Bilder (und Töne) von den Bewegungen strömenden Blutes zu erhalten. Der Dopplereffekt tritt bei allen Wellen und wellenähnlichen Vorgängen auf, seien sie nun longituniale oder transversale Wellen, oder gar Licht. Beim Licht wurde er zu Beispiel verwendet um nachzuweisen, dass wir in einem Expandierenden Universum leben (Amn. des Übersetzters, wobei die Physik bei solch großen Entfernungen noch einige Fragen offen lässt)! Er wird auch bei Radiowellen zur Geschwindigkeitskontrollen im Strassenverkehr in sogenannten Radarfallen verwendet. Er kann auf intuitiv als Änderung der Tonhöhe der Sirene eine vorbeirauschenden Krankenwagens erfahren werden.
Betrachten wir als Beispiel den von einer Lokomotive erzeugten Lärm, wie er im Diagram unten dargestellt ist.
Wenn der Zug steht, und der Wind nicht blässt, wird sich der Ton in alle Richtungen gleichermassen ausbreiten.
wobei c die Schallgeschwindigkeit im Medium bezeichnet.
Wenn also zum Beispiel ein Ultraschallpuls mit einer Frequenz von 2 bis 10 Mhz in der medizin verwendet wird um Blut in den Aterien (welches Typischerweise mit 0 bis 5 m/s fliesst) zu untersuchen. Die obere Gleichung ergiebt, dass die Frequenzunterscheide in dem hörbaren Bereich des akustischen Spektrums von 0 bis 15 kHz liegt. Diese Siganle können daher unmittelbar auf Lautsprecher ausgegeben und als Ton gehört werden. Man klicke Hier um die den Blutfluss der Halsschagader des Autors des englischen Orginaltextes als Beispiel zu höhren.
Es ist auch möglich das Frequenzspektrum der Dopplerverschiebung zu untersuchen um feine Details der Verteilung der Flussgeschwindigkeiten des Blutes währened eines Pumpzyklus des Herzens zu untersuchen indem man Fourrier Transformierte des Signals berechnet.
Es ist jedoch gebräuchlicher Bilder der Verteilung der Frequenzverschiebung innerhalb von Blutgefässen darzustellen indem man Techniken wie Farbdoppler- oder Powerdoppler-Sonographie verwendet. Diese Techniken verschmelzen automatisch Doppler Signale mit B-Mode Ultraschallbilder wie in die Beispielen unten gezeigt wird:
Flussgeschwindigkeitcodiertes Doppler-Sonographram (Farbdoppler-Sonografie)
|
Amplitudencodiertes Doppler-Sonographram (Powerdoppler)
|
Farbdopplersonographie zeigt die Richtung des Blutflusses and. Sie kann daher sowohl positive als auch negative Dopplerverschiebungen detektieren und verwendet eine Farbnachschlagtabelle (Colour look up table CLUT) so dass Dopplerverschiebungen in der einen Richtung (meist auf die Sonde zu) in verschiedenten Rottönen und die in der anderen Richtung (meist von der Sonde weg) in Blautönen dargestellt werden wie es im obigen linken Bild am Beispiel an der Jugularvene (Halsader) und der Karotide (Halsschlagader) dargestellt wird. Ein vereinfachtes Blockdiagramm für diese Art der Bildgebung ist in der Abbildung unten dargestellt.
Das System verwendet einen Strahlformungsschlatkreis um die Piezokristalle in eine Phased Array Trasducer zur B-Mode Bildgebung und zur Detektion der Dopplerverschiebung im schnellen Wechsel. Wobei die Echo Signale in den B-Mode Scanschaltkreis und die Dopplersignale zur Analyse in einen Autokorrelatinsdetektor geführt werden. Ausgangsdaten von diesen beiden Schlatkreisen dann im Scan Konvertierungs und Bildaufbereitungsschaltkreis überblendet und zu einem Bild verscholzen welches dargestellt wird.
Als letzten Punkt bleibt zu beachten dass das Amplitudenkodierte Dopplersonogramm (Powerdoppler, rechte Abbildung) keine Information über die Flussrichtung des Blutes enthällt da mit dieser Technik nur die Leistung der Refelktierten Dopplerpulse nicht jedoch deren Frequenzverteilung gemessen wird.
[Bearbeiten] Literatur
Ultraschallvorlesung der Uni Ulm http://www.uni-ulm.de/klinik/medklinik/innere1/diag/sono/pdf/sono_vorlesung.pdf
Exzellenter Wikipedia Artikel : Sonografie
