Principper for ultralyd og 2D ekko
Basal ultralyd og 2D ekkokardiografi
Ultralyd beskrives ved frekvens, bølgelængde og amplitude (styrke)
Sammenhængen mellem lydens bølgelængde (λ), hastighed gennem væv (c, tabel 1) og frekvens (f) er fastlagt ved ligningen: c = λ x f - se fig.1 For ultralyd med sendefrekvens 1,6 MHz og lydhastighed i vævet på 1540 m/s kan således udregnes λ = 0,96 mm (ca 1 mm). Bølgelængden λ svarer til den mindste struktur ultralyden kan "se". Strukturer større eller mindre end λ spreder ultralyden i alle retninger. Højfrekvente transducere med kort λ (børn, TEE, tabel 2) kan således se finere detaljer end voksne TTE transducere.
Diagnostisk ultralyd har kort bølgelængde pga. en forholdsvis høj frekvens (2-10 mHz mod 16 Hz-16kHz ved hørbar lyd). Dette medfører:
Fig. 1. Ultralydsbølger er afhængige af bølgelængde (λ) (afstand fra bølgetop til bølgetop), hastighed gennem vævet (c) (1540m/s i blød væv) og frekvens (f) (Hz). λ = c/f
- høj opløsning i billedet
- lav penetrans
- lav diffraktion (bevæger sig ensrettet)
2D billederne fremkommer ved hjælp af ultralydsbølgers udbredelse gennem vævet. Ultralydstransducerens fod (kontaktfladen) består af en matrix af piezoelektriske krystaller, der genererer trykbølger (ultralydsbølger) når der sendes strøm igennem. Transducerens krystalmatrix fungerer samtidig som modtager og skaber elektrisk spænding, når reflekterede bølger modtages. Ved sekventiel aktivering (phased array) styres ultralyd-retningen elektronisk, hvorved der udsendes impulser af fokuserede ultralydsbølger (skannelinier). Ultralydsbølgerne bevæger sig med forskellig hastighed i forskellige vævs-komponenter (tabel 1) og således møder ultralydsbølgen på sin vej akustiske grænseflader mellem væv af forskellig akustisk impedans (= massefylde x lydhastighed i pågældende væv).
Ved lydens møde med en sådan akustisk grænseflade sker følgende:
- Noget lyd spredes i forskellige retninger (diffraktion)
- Noget lyd tilbagekastes (reflektion)
- Resten af lyden fortsætter uhindret.
Forsinkelsen fra afsendelse af impuls til modtagelse af refleksion bestemmer afstanden til en reflektor. Tidsintervallet mellem ultralydspulsene bestemmer hvor dybt der lyttes, og dermed billedsektorens dybde.
2D billedet opstår ved fusion af disse herved fremkomne mange tætliggende skanne-linjer som optages enkeltvis i hurtig rækkefølge (figur 2).
Tabel 1. Ultralydsbølgers hastighed gennem forskellige væv.
| Væv | Hastighed |
| Fedt | 1440 m/s |
| Muskel | 1540 m/s |
| Blod | 1570 m/s |
Fig. 2. Skanne-linjerne kan indimellem visualiseres på billedet, hvis der er et bredt skannevindue og dermed lang afstand mellem skannelinjerne.
Optimering af 2D billedet
Kvaliteten af 2D billeder afhænger af
- Aksial opløsning
- Lateral opløsning
- Tidsmæssig opløsning
- Gain
Aksial opløsning
- evnen til at skelne 2 strukturer der ligger i ultralydsbølgens udbredelsesretning.
- aksial opløsning = ½ · varighed af hvert impulstog af ultralydsbølger, hvor varigheden = λ · antal bølger i hvert impulstog (ultralyd udsendes pulserende i korte tog eller impulser af bølger, hvor transduceren mellem hver impulstog lytter efter de reflekterende ekkoer). Kort bølgelængde giver derfor højre aksial opløsning.
- høj transducerfrekvens giver høj aksial opløsning men desværre også aftagende penetrationsevne. Se tabel 2 for transducerfrekvens i forskellige prober.
Tabel 2. Prober med høj transducerfrekvens og dermed høj aksial opløsning kan anvendes, når behovet for penetration er begrænset, f.eks. ved undersøgelse af børn og ved TEE, hvor afstandene er små.
| Probe | Transducerfrekvens (second harmonic) |
| TTE børn | 5-7 MHz (3 MHz) |
| TTE normale voksne | 3,5 MHz (1,6 MHz) |
| TTE kraftige voksne | 2,5 MHz (1,2 MHz) |
| TEE | 5-7 MHz |
Lateral opløsning (fig. 3)
- evnen til at skelne to strukturer, der ligger tæt side om side i et plan vinkelret på ultralydens udbredelsesretning
- afhænger af tætheden af skanne-linjerne og øges ved
- at mindske sektorvinklen
- at mindske dybden
- at mindske framerate
- nedsættes ved anvendelse af for høj gain, idet strukturerne "udtværes"
Fig. 3. Viser hvordan tæthed af skanne-linjer influerer på den laterale opløsning. Jo tættere skanne-linjerne ligger, jo nemmere kan to strukturer adskilles fra hinanden.
Tidsmæssig opløsning
- tidsmæssig diskriminationsevne (se fig. 4,5, 6 og 7) afhænger af billedfrekvensen (framerate) og dermed
- antallet af skanne-linjer
- sektorens dybde
- Obs : når framerate øges, går det ud over den laterale opløsning, med mindre dybden eller sektorvinklen reduceres.
| Fig. 4. Stor billedsektor og dermed mange skannelinjer giver lav frame-rate. | Fig. 5. Lille billedsektor og dermed høj frame-rate. |
| Fig. 6. Stor dybde og dermed lav frame-rate. | Fig. 7. Lille dybde og dermed høj frame-rate. |
Gain
- indstilling af gråtonerne i billedet
- strukturer skal fremstå klare og tydelige, hvor der kun er blod bør der som udgangspunkt være sort (se fig. 8, 9 og 10).
- for høj gain nedsætter den laterale opløsning pga. lateral "udtværing" af strukturer.
| Fig. 8. For lav gain giver grynede billeder, dårlig afgrænsning og nedsat detektion af ekkofattige strukturer. | Fig. 9. For høj gain øger risiko for artefaktor og nedsætter opløsningen i billedet. |
|
Fig. 10. Passende gain giver klar afgrænsning af strukturer og god opløsning. |
|
Begrænsninger ved ultralyd
Attenuation
Definition: fald i amplitude og intensitet når ultralydsbølgen bevæger sig gennem væv pga. overførsel af energi fra ultralydsbølgen til vævet
- forårsages af absorption, refleksion, refraktion og skyggedannelse
- absorption sker idet ultralydsbølgen bevæger sig gennem vævet og er proportionalt til frekvensen – høj frekvens giver høj absorption og lav penetration
- skyggedannelse sker når ultralydsbølgen rammer en struktur med stor absorption (f.eks. knogle), hvorfor der nedenunder dannes en skygge i billedet
- På grund af meget stor impedansforskel mellem bløde væv og knogle- henholdsvis lungevæv (luft) reflekteres næsten al udsendt ultralyd i grænsefladerne, og diagnostisk ultralyd penetrerer i praksis ikke knogle- eller lungevæv.
Artefakter
Opstår typisk fordi ultralydsbølger reflekteres forkert til transduceren, som dermed genererer en ikke-eksisterende struktur.
Near field clutter – forårsages af høje amplitudesvingninger nær transduceren, hvorved der opstår refleksion, der f.eks. kan ligne en apikal trombe. Kan f.eks. afklares ved at sætte farve doppler på billedet. Hvis der er flow apikalt, drejer det sig ikke om trombe.
Reverberation (genspejling)- transduceren reflekterer en ultralydsimpuls som kommer fra en stærk reflektor. Transduceren fungerer i samme ombæring som reflektor hvorved den samme ultralydsbølge sendes afsted igen. Derved modtager transduceren to impulser fra den samme reflektor, men med dobbelt så lang tid imellem, hvorfor transduceren producerer en helt identisk struktur i dobbelt afstand fra den oprindelige reflektor. Dette kan f.eks. ses ved aorta ascendens i parasternale længdesnit, hvor man kan få mistanke om dissektionsmembran i aorta pga genspejling. Artefaktet kan kendes ved at det bevæger sig fuldstændig som den oprindelige struktur (ses lettest i M-mode) og har en dobbelt så stor afstand fra transduceren som den oprindelige struktur (aortavæggen).
 Fig. 11. TEE billede af aorta ascendens. Der ses genspejlingsartefakt (R) i dobbeltafstand fra aortavæggen (PAI). I M-mode ses at PAI og R bevæger sig fuldstændig identisk. Artefaktet (R) er bueformet, fordi det hovedsageligt er den centrale del af aortavæggen (den kraftigste reflektor vinkelret på stråleretningen), der genspejles. Genspejlingen er således under indflydelse af den laterale opløsnings begrænsning. |
Beam width artifacts – hvis transduceren leverer brede ultralydsstråler med kort afstand imellem, kan én struktur rammes af to stråler og blive afbilledet som to strukturer.
 Fig. 12. Beam width artefakt. Hvis to ultralydsstråler rammer den samme struktur, kan én reflektor komme til at fremstå som to strukturer. |
Acustic shadowing – hvis vævet enten helt absorberer eller reflekterer ultralydsstrålen opstår der en mørk henholdsvis lys skygge bag strukturen.
Attenuationsartefakter – giver skygge (hvis stort energitab) eller enhancement, dvs. lyst område (meget lille energitab).
Hvordan undgår man artefakter
- kend "pitfalls"
- vær opmærksom på stærke reflektorer
- kend anatomien
- anvend multiple projektioner
- husk at artefakter er inkonsistente
