Tekniske aspekter af ultralydsbilledet

Generering af ultralydsbilledet

Ultralydstransduceren genererer korte udbrud (pulser) af ultralydsbølger. Reflekterede ultralydsbølger analyseres af maskinen i de korte pauser mellem impulserne. Maskinen analyserer (“lytter til”) reflekterede lydbølger umiddelbart efter, at den har udsendt lydbølger (figur 1).

For at skabe et pålideligt realtidsbillede af vævet skal ultralydsmaskinen overvinde følgende tekniske forhindringer.

1. Ultralydsmaskinen skal vide, hvilke lydbølger der reflekteres, og hvorfra de reflekteres. Da lydbølgerne sendes ud i impulser, og hastigheden i vævet er konstant (1540 m/s), kan maskinen beregne, hvor lydbølgerne blev reflekteret (dvs. maskinen kan beregne refleksionspunktet). Dette gøres ved at analysere den tid, det tager for lyden at vende tilbage til transduceren, og dermed beregne afstanden til den struktur, der reflekterede bølgen. Strukturer, der er placeret tæt på transduceren, vil reflektere lydbølgerne tidligt, og dermed vil tidsintervallet være kort. Strukturer, der ligger langt fra transduceren, vil reflektere lydbølgerne senere, og det vil tage længere tid at nå frem til transduceren.
2. Ultralydsbølger, der reflekteres fra den samme struktur, kan nå de forskellige krystaller på forskellige tidspunkter. For at løse dette er der en indbygget funktion, kaldet dynamisk fokusering, som beregner, hvilke ultralydsbølger der stammer fra det samme refleksionspunkt.
3. Reflekterede ultralydsbølger har ændrede egenskaber (f.eks. ændret amplitude). Dette udnyttes til at give de reflekterede lydbølger, baseret på deres amplitude, forskellige nuancer på ultralydsbilledet. Vævene på ultralydsbilledet tegnes med forskellige nuancer af en farve (normalt grå). Det er muligt, fordi vibrationerne i de piezoelektriske krystaller og dermed den elektriske strøm, de sender tilbage til maskinen, varierer med amplituden af den reflekterede lyd. Jo stærkere refleksionerne er, jo højere er amplituden, og jo hvidere er vævets farve på ultralydsbilledet.
4. Bevægelige strukturer (myokardiet, blodgennemstrømningen) vil ændre ultralydsbølgernes egenskaber (f.eks. frekvensen). Dette udnyttes faktisk til at beregne retningen og hastigheden af vævs- og væskebevægelser.

Alle strukturer i et medium kan reflektere ultralydsbølger. De største refleksioner forekommer dog i grænsefladerne mellem to medier. Derfor vil mange lydbølger blive reflekteret i overgangen fra blod til myokardium, og det vil resultere i en tydeligt afbildet grænsezone mellem blod og myokardium på ekkokardiogrammet. Ultralydsbølger vil også blive reflekteret, når bølgerne bevæger sig gennem myokardiet, men i mindre grad, og derfor skinner myokardiet ikke så tydeligt på ultralydsbilledet (figur 2).

Ultralydsbølger reflekteres primært i grænsefladen mellem medier (væv, væsker osv.) med forskellig densitet. Jo større forskel i tæthed, jo mere reflekteres ultralydsbølgerne. Det forklarer, hvorfor vævsgrænser fremstår som lysere strukturer på ultralydsbilledet.

Retning og fokusering af ultralydsbølger

Ultralydsbølgernes retning og fokus kan justeres ved at variere sekvensen af aktivering af de piezoelektriske krystaller (figur 3). Ved at aktivere alle krystaller samtidig bevæger den resulterende lydbølge sig i en lige retning (figur 3A). Hvis aktiveringen starter i den ene side, f.eks. fra højre mod venstre, vil bølgefronten blive rettet mod venstre (figur 3B). Hvis aktiveringen starter i enderne og fortsætter mod midten, vil ultralydsstrålen blive fokuseret som illustreret i figur 3C.

Moderne ultralydsmaskiner indeholder avanceret software, der håndterer aktiveringen af tusindvis af piezoelektriske krystaller. Ved hjælp af sofistikeret software og hardware er det muligt at opnå todimensionelle (2D) og tredimensionelle (3D) ekkokardiogrammer i høj opløsning.

Refleksion af ultralydsbølger

Som tidligere nævnt reflekteres ultralydsbølger primært i grænsefladen mellem medier (væv, væsker osv.) med forskellig densitet. Jo større forskel i tæthed, jo mere reflekteres ultralydsbølgerne. For eksempel er forskellen i tæthed mellem hud og knogle meget stor, hvilket forklarer, hvorfor de fleste ultralydsbølger reflekteres, når de rammer knoglen. Strukturer bag knogler kan derfor ikke visualiseres ved hjælp af ultralyd (da meget få lydbølger går gennem knoglen). På samme måde forklarer forskellen i tæthed mellem de luftfyldte lunger og hjertesækken, hvorfor en stor del af ultralyden reflekteres på hjertesækkens overflade (som derfor skinner klart på ekkokardiogrammet).

Jo større andel af lydbølgerne, der reflekteres, jo færre lydbølger er der tilbage til at undersøge resten af vævet (de dybere strukturer). Luftfyldte rum (f. eks. lunger) og hårde overflader (f.eks. knogler) udgør en særlig udfordring. Det er derfor vigtigt at placere transduceren og rette lydbølgerne, så kollision med knogler og passage gennem lungevæv minimeres.

Når ultralydsbølger bevæger sig gennem blødt væv og væskefyldte rum (f.eks. ventrikelhulrum, atrier, større kar), reflekteres en relativt lille del af lydbølgerne. Det skyldes den lille forskel i tæthed i vævet eller væsken.

For at en ultralydsbølge kan reflekteres i en uændret vinkel (sammenlignet med indfaldsvinklen), skal det objekt, der reflekterer ultralydsbølgen (dvs. reflektoren), have en glat overflade, der står vinkelret på lydbølgernes retning. Menneskevæv består af mere eller mindre uregelmæssige strukturer, hvilket resulterer i, at lydbølger altid reflekteres i en lidt ændret vinkel. Ændringen i vinklen er dog generelt lille, og de fleste af de reflekterede lydbølger rammer transduceren. Denne type refleksion kaldes spejlreflektion. De ultralydsbølger, der ikke reflekteres ved grænsefladen mellem to medier, vil fortsætte gennem det andet medie med en let ændret vinkel, et fænomen, der kaldes refraktion.

Selvom de fleste af de reflekterede lydbølger reflekteres i grænsezonen mellem to medier (væv/væsker), reflekteres nogle bølger også under passage gennem homogent væv, som f.eks. myokardiet. Ellers ville myokardiet ikke have været synligt på ekkokardiogrammet. Men refleksionerne i vævet er mere spredte. Jo mere uregelmæssig vævsstrukturen er, jo mere spredt er refleksionerne.

Erytrocytter er særligt gode til at sprede ultralydsbølgerne; de spreder bølgerne i alle retninger. Derfor er det kun et mindretal af refleksionerne, der vender tilbage til ultralydssenderen.

Ultralydsbølger dæmpes (svækkes), når de bevæger sig gennem kroppen. Dæmpningen skyldes refleksion af lydbølger og omdannelse af mekanisk energi til varme (som absorberes af vævet).

Opløsning og gennemtrængning af ultralydsbølger

Ultralydsbilleder med høj opløsning er afgørende for den diagnostiske nøjagtighed. Billedopløsningen kan defineres som muligheden for at skelne mellem tilstødende objekter. Undersøgelse af små strukturer, især bevægelige strukturer, kræver billeder med høj opløsning. Jo lavere billedopløsning, jo sværere er det at skelne mellem mindre og nærliggende objekter.

Billedopløsningen afhænger hovedsageligt af ultralydsbølgernes bølgelængde. Som tidligere omtalt (Ultralydsfysik) er bølgelængden omvendt proportional med bølgefrekvensen i henhold til følgende formel:

λ = c / f

Det betyder, at højfrekvente bølger har korte bølgelængder og omvendt. Jo kortere bølgelængde, jo mindre strukturer vil være i stand til at reflektere lydbølgen og dermed blive synlige på ultralydsbilledet. Så jo højere frekvens, jo højere opløsning. Det kan derfor virke rimeligt at øge frekvensen til ultralydsmaskinens grænse. Men ultralydsbølgernes gennemtrængning mindsker med stigende frekvens, hvilket betyder, at højfrekvente bølger har dårligere gennemtrængning. Visualisering af dybe objekter kræver derfor bølger med lavere frekvens.

Ultralydsbølger med lav frekvens har en lang bølgelængde, hvilket giver lavere opløsning, men bedre (dvs. dybere) gennemtrængning. Billedkvaliteten for distalt placerede objekter kan således forbedres ved at bruge en lavere frekvens; den øgede indtrængning opvejer typisk tabet i opløsning.

Den maksimale opløsning er ca. halvdelen af bølgelængden; f. eks. giver en frekvens på 2,5 MHz en opløsning på 0,3 mm. Objekter, der er mindre end 0,3 mm, kan ikke skelnes ved en frekvens på 2,5 MHz.

Aksial og lateral opløsning

Den aksiale opløsning er evnen til at skelne mellem to objekter, der er placeret parallelt med ultralydsbølgen. Denne opløsning er konstant langs ultralydsbølgen. Den aksiale opløsning er grundlæggende afhængig af lydbølgernes frekvens. Jo højere frekvensen er, jo større er den aksiale opløsning.

Den laterale opløsning beskriver evnen til at skelne mellem to objekter, der er vinkelret på ultralydsbølgerne. Denne opløsning falder med afstanden fra transduceren, fordi ultralydsbølgerne divergerer, når afstanden øges.

Temporal opløsning

Temporal opløsning (se også Frame rate nedenfor) er evnen til at beskrive objekters bevægelse over tid. Ultralydsbilleddannelse i almindelighed og ekkokardiografi i særdeleshed kræver kontinuerlig analyse af reflekterede ultralydsbølger for at skabe en 2D- eller 3D-film. Filmen skabes ud fra individuelle ultralydsbilleder, der vises efter hinanden. For at kunne generere en film med høj tidsopløsning er det afgørende, at de enkelte billeder produceres hurtigt. Den tid, det tager at skabe et billede, bestemmer den tidsmæssige opløsning. Jo flere billeder, der kan produceres og præsenteres pr. tidsenhed, desto større er den tidsmæssige opløsning.

Fundamental og harmonisk billeddannelse

Ultralydstransduceren genererer lydbølger med en bestemt frekvens. Denne frekvens kaldes grundtonen. Når lydbølgerne passerer gennem vævet, deformeres lydbølgerne, hvilket skaber overtoner.

Lydbølger deformeres, når de passerer gennem væv. Når højtryksdelen af lydbølgen (det højeste punkt på sinuskurven, se Ultralydsfysik) møder væv med højere tæthed, vil vævet blive komprimeret, og lydbølgens hastighed øges. Når lavtryksdelen af lydbølgen (det laveste punkt på sinuskurven) passerer gennem vævet, sker det modsatte: vævet udvider sig, vævets tæthed falder, og lydbølgens hastighed falder også.

Lydbølgen bliver således forvrænget, når den passerer gennem vævet. Denne forvrængning resulterer i forekomsten af lydbølger, hvis frekvens er et multiplum af grundtonen. Disse lydbølger kaldes harmoniske. Ultralydstransduceren udsender således bølger med en frekvens på 3 MHz, og så opstår der lydbølger med frekvensen 6 MHz (anden harmoniske), 9 MHz (tredje harmoniske), 12 MHz (fjerde harmoniske) osv. Disse overtoner reflekteres også tilbage til senderen. Det er faktisk muligt at skabe et ultralydsbillede ved kun at bruge reflekterede overtoner. Det giver billeder med bedre opløsning. Moderne ultralydsmaskiner er derfor programmeret til primært at analysere reflekterede overtoner (for det meste de første overtoner).

Ultralydsbilledet skabes ved at lytte til en harmonisk tone og filtrere alle andre frekvenser fra (både grundtonen og alle andre harmoniske toner). Denne billeddannelsesmetode kaldes harmonisk billeddannelse.

Harmonisk billeddannelse er standard inden for ultralydsdiagnostik og ekkokardiografi. Metoden gør det muligt at sende lydbølger med lav frekvens (hvilket giver mulighed for at trænge dybere ind i vævet), men lytte til lydbølger med høj frekvens (hvilket giver højere opløsning). Harmonisk billeddannelse reducerer også artefakter i ultralydsbilledet. Ulempen ved harmonisk billeddannelse er, at noget tekstur går tabt. Det er ikke et stort problem, men det kan resultere i, at hjerteklapperne ser tykkere ud, end de i virkeligheden er.

Det modsatte af harmonisk billeddannelse er fundamental billeddannelse, som indebærer, at maskinen lytter efter lydbølger med samme frekvens, som den selv har genereret. Hvis transduceren f.eks. udsender lydbølger med en frekvens på 3 MHz, lytter den kun efter reflekterede lydbølger med en frekvens på 3 MHz. Det giver dårligere opløsning og lavere penetration. Der er dog situationer, hvor fundamental billeddannelse er nyttig.