SONDA ULTRADŹWIĘKOWA

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 8 SONDA ULTRADŹWIĘKOWA Ultrasonografia jest dzisiaj jednym z ważniejszych narzędzi diagnostycznych w medycynie. Wykorzystywana jest ona zarówno do obrazowania narządów wewnętrznych pacjenta (prezentacje A i B, ta druga także w wersji 3D), jak i do analizy przepływu krwi w naczyniach (metody dopplerowskie). Informacja o stanie narządów wewnętrznych i przepływie krwi w naczyniach może być przy tym równolegle zbierana i prezentowana ekranie monitora ( Doppler kolorowy ). Obrazowanie anatomii pacjenta oparte jest na metodzie echolokacji impulsowej. Głowica USG wysyła bardzo krótki impuls ultradźwiękowy, który przenika do tkanek i ulega tam odbiciom, wytwarzając echa. Echa te wracają następnie do głowicy, w międzyczasie przestawionej z trybu nadawczego na tryb odbiorczy. Jeśli echo dotarło do głowicy po czasie t, licząc od momentu wysłania impulsu, to odległość pomiędzy głowicą a strukturą anatomiczną odbijającą wiązkę ultradźwięków S, wyrażona jest prostym równaniem: vt S (1) 2 gdzie v jest średnią prędkością ultradźwięku w tkankach. Przypomnijmy, że o czasie t mówi się jako o czasie powrotu, co może być nieco mylące, gdyż chodzi tu oczywiście o czas przebiegu sygnału ultradźwiękowego tam i z powrotem. Kolejną rejestrowaną przez aparat USG wielkością fizyczną, oprócz czasu powrotu, jest natężenie echa, dostarczające informacji na temat różnic w oporze akustycznym pomiędzy ośrodkami, na granicy których nastąpiło odbicie. W ćwiczeniu wykorzystujemy sondę (głowicę) ultradźwiękową do wizualizacji nieznanej (niewidocznej dla wykonującego ćwiczenie) struktury przestrzennej. Uformowana jest ona przez trzy prostopadłościany, przy czym mogą być one ułożone jeden na drugim. Wizualizacja polega na wyznaczeniu metodą echolokacji impulsowej położenia tych prostopadłościanów w przeszukiwanym obszarze oraz ich rozmiarów. Określenie z góry geometrii oraz wewnętrznej struktury elementów badanego układu (tzn. przyjęcie, że są to jednorodne prostopadłościany) jest konieczne, gdyż w odróżnieniu od rzeczywistego badania USG, w ćwiczeniu pojedyncza wiązka ultradźwiękowa odbija się tylko raz (wytwarza tylko jedno echo). Przyczyną tego ograniczenia jest fakt, że pomiędzy głowicą a badanym układem znajduje się powietrze, zaś na granicy powietrze-ciało stałe dochodzi do praktycznie całkowitego odbicia ultradźwięków. Tym samym, ultradźwięki nie mogą wniknąć do wnętrza prostopadłościanów i wytworzyć żadnego innego echa 1. W ćwiczeniu, podobnie jak ma to miejsce w diagnostycznym badaniu USG, przyjmować będziemy, że odbicie zachodzi w osi wiązki. W metodach wykorzystujących ultradźwięki do przestrzennej lokalizacji elementów badanej struktury, także podczas badania w gabinecie USG, praktycznie zawsze mamy do czynienia z artefaktami obrazu. Tak jest i w niniejszym ćwiczeniu. Na Ryc. 1 widzimy ultradźwiękowy obraz górnej powierzchni umieszczonego w skrzyni prostopadłościanu, otrzymany metodą echolokacji impulsowej. 1 Możemy więc poglądowo powiedzieć, że wiązka ultradźwiękowa widzi tylko tę powierzchnię prostopadłościanu, która leży najbliżej sondy (ewentualnie, o ile nie natrafiła na żaden z prostopadłościanów, podłoże skrzyni, w której znajduje się badany układ).

2 Wiązki ultradźwiękowe użyte podczas skanowania były prostopadłe do podłoża skrzyni. Czas powrotu echa przedstawiony jest na rycinie, dla każdego z zastosowanych położeń głowicy, przy pomocy kolorowej skali - dłuższy czas powrotu (kolor zielony) odpowiada podłożu skrzyni, natomiast czas krótszy (kolor niebieski) górnej powierzchni prostopadłościanu. Jak łatwo zauważyć, wierzchołki obrazu prostopadłościanu są ścięte. Przyczyną tego artefaktu, określanego w literaturze anglojęzycznej jako beam width artifact, jest niezerowa szerokość wiązki ultradźwiękowej 2 (Ryc. 2). Kiedy wiązka, której przekrój poprzeczny jest zaznaczony kolorem żółtym, wycelowana jest w podłoże skrzyni, ale przechodzi jednocześnie dostatecznie blisko prostopadłościanu, to część tej wiązki odbija się od górnej powierzchni bryły. Jeśli tylko natężenie tak powstałego echa nie jest zbyt małe, głowica ultradźwiękowa zarejestruje sygnał echa. Ponieważ głowica używana w ćwiczeniu rejestruje w każdym ze swych położeń tylko pierwsze echo, przylegający do bryły fragment podłoża skrzyni zostanie mylnie przedstawiony na obrazie jako element górnej powierzchni prostopadłościanu. Ryc. 3 przedstawia wynik komputerowej symulacji artefaktu, otrzymany przy założeniu, że szerokość wiązki jest istotnie większa niż odległość między sąsiednimi położeniami pomiarowymi głowicy (co odpowiada sytuacji podczas wykonywania ćwiczenia). Czarne kwadraciki oznaczają miejsca rozpoznane jako należące do górnej powierzchni prostopadłościanu, natomiast rzeczywisty kontur tej powierzchni przedstawiony jest linią czerwoną. Jak widzimy, artefakt powoduje zarówno pozorne zwiększenie rozmiarów liniowych ściany prostopadłościanu, jak też, co mniej intuicyjne, efekt pozornego ścięcia wierzchołków, widoczny na Ryc. 1. Artefakt wystąpi na pewno podczas wykonywania ćwiczenia, a znajomość jego natury pozwoli nam zwiększyć dokładność pomiarów. Układ pomiarowy Układ pomiarowy tworzą: Ryc. 1 Ryc. 2 Układ skanujący z ultradźwiękową głowicą nadawczo-odbiorczą oraz zasilaczem. Głowica wysyła ultradźwięki o częstotliwości 380 khz i następnie, w trybie odbioru, rejestruje jedno echo. Sygnał napięciowy, generowany przez echo, informuje o czasie powrotu. Ruch głowicy, umożliwiający przeszukiwanie całego badanego obszaru (skrzynka pod głowicą), zapewniają silniki krokowe sterowane przez komputer. Przełączniki krańcowe, znajdujące się na początku i końcu obu prowadnic, zapewniają, że głowica nie przekracza założonego obszaru badań. 2 Na obrazie widać też nadmiarowe piksele brzegowe ( ząbki, których nie należy mylić ze schodkami przy wierzchołkach), występujące pojedynczo lub w małych grupach. Echa odpowiadające tym pikselom mają natężenia bardzo bliskie progowi czułości głowicy, lecz większe od tego progu. Istnienie ząbków jest więc niezależne od dyskutowanego artefaktu. Z drugiej strony, co wyjaśnimy niżej, artefakt powoduje ich pozorne przesunięcie.

3 Karta pomiarowa (NI USB 6008) rejestruje czas powrotu echa w postaci napięciowego sygnału analogowego i przetwarza go do postaci cyfrowej. W tej też postaci czas powrotu echa przekazywany jest do komputera. Komputer wraz z programami sterującymi urządzeniem i prezentującymi wyniki pomiarów. Przebieg pomiarów i sposób przedstawienia I. Przebieg pomiarów: 1. Włączyć komputer. 2. Kliknąć dwukrotnie lewym klawiszem myszy skrót sonda na pulpicie; spowoduje to uruchomienie programu do sterowania głowicą ultradźwiękową oraz do prezentacji wyników pomiarów. 3. Włączyć zasilacz (włącznik z tyłu obudowy zasilacza). Zapalą się dwie diody: czerwona na zasilaczu i zielona Głowica na obudowie układu skanującego. Głowica ultradźwiękowa jest teraz gotowa do pracy. 4. Włączyć układ skanujący, co spowoduje zapalenie się czerwonej diody Skaner na obudowie tego układu. 5. Uruchomić program sonda poprzez kliknięcie białej strzałki znajdującej się w pobliżu lewego górnego rogu ekranu. Wybrać, poprzez kliknięcie myszą, opcję Skan demonstracyjny. Po zajęciu przez głowicę miejsca startowego, automatycznie rozpoczną się pomiary (z użyciem tylko jednego prostopadłościanu). W każdym z kolejnych zajmowanych położeń głowica będzie wysyłać impuls ultradźwiękowy i rejestrować echo. Do pamięci komputera będą przesyłane, w postaci cyfrowej dane podające aktualne położenie głowicy oraz czas powrotu echa. Podczas skanowania demonstracyjnego na wykresie na ekranie monitora przedstawiane są sukcesywnie, przy użyciu barwnej skali (objaśnionej z prawej strony wykresu), zmierzone czasy powrotu. Współrzędne kartezjańskie x i y (liczby całkowite) na wykresie indeksują położenie głowicy w płaszczyźnie jej ruchu, przy czym oś x jest równoległa do dłuższego boku skrzyni z badanym układem. O zakończeniu pomiarów informuje odpowiedni komunikat na ekranie komputera, jednocześnie głowica parkuje w położeniu końcowym. Na ekranie widzimy teraz ultradźwiękowy obraz całego przeszukanego obszaru (zwrócić uwagę na opisany wcześniej artefakt tego obrazu!). Od momentu zakończenia skanowania aktywna jest też opcja Wykres 3D. Po naciśnięciu lewego przycisku myszy umożliwia ona obejrzenie, przebadanego układu z różnych kierunków przestrzennych. 6. Po zapoznaniu się z obrazem demonstracyjnym (zarówno na wykresie dwu- jak i trójwymiarowym) nacisnąć przycisk Zakończ demonstrację. 7. Prowadzący ćwiczenia umieści teraz w skrzyni 3 prostopadłościany, następnie zakryje skrzynię. Nacisnąć teraz przycisk Skan pełny. Zainicjowane w ten sposób skanowanie będzie przebiegać podobnie jak w punkcie 5. Różnica w stosunku do skanu demonstracyjnego polega na tym, że na wykresie nie jest już wyświetlana informacja o zmierzonych czasach powrotu (brak też jest barwnej skali czasów powrotu), dwukrotnie większe są też liniowe rozmiary badanego obszaru. Obszar już przeszukany przedstawiony będzie na ekranie kolorem niebieskim, a jeszcze nie przeszukany czarnym. Znów w analogii do skanu demonstracyjnego, o zakończeniu pomiarów poinformuje odpowiedni komunikat na ekranie komputera, jednocześnie głowica zaparkuje w położeniu końcowym. Po zakończeniu przeszukiwania, w pamięci komputera znajduje się lista wszystkich zastosowanych położeń głowicy (bezwymiarowe x i y) wraz z odpowiadającym im czasem powrotu echa t (w mikrosekundach). Dowolna pozycja z tej listy, (x,y,t), może być wyświetlona po prawej stronie wykresu, odpowiednio w okienkach Położenie x, Położenie y oraz Czas powrotu. W celu wyświetlenia czasu powrotu dla wybranego położenia głowicy, a więc dla wybranych współrzędnych x oraz y, nakierować czerwony kursor (punkt przecięcia dwóch czerwonych linii) na odpowiednie miejsce na wykresie. Położenie tego kursora zmieniamy za pomocą klawiszy ( ), ( ), ( ) oraz ( ) na klawiaturze.

4 II. Sposób przedstawienia i kontrola wyników: 1. Zmieniając współrzędne x i y zastosowanych położeń głowicy oraz obserwując wyświetlany jednocześnie na ekranie czas powrotu echa, znaleźć czas maksymalny. Najdłuższy czas powrotu sygnału ultradźwiękowego występuje oczywiście wtedy, gdy wiązka ultradźwiękowa odbija się od podłoża skrzyni z badanym obiektem. Wpisać znaleziony maksymalny czas powrotu do Tab. I. i następnie wyznaczyć z równania (1) odległość głowica-podłoże (3). W obliczeniach przyjąć, że prędkość ultradźwięków w powietrzu wynosi 330 m/s. Uwaga: Drobne różnice (rzędu kilku procent) występujące w zbiorze obejmującym wyznaczone czasy powrotu wiązki odbitej od określonej powierzchni, są efektem błędu pomiarowego i nie świadczą o nierówności danej powierzchni odbijającej ultradźwięki. 2. W celu znalezienia położenia i rozmiarów trzech znajdujących się w skrzyni prostopadłościanów zmieniać współrzędne x i y zarejestrowanych położeń głowicy, obserwując jednocześnie uważnie czas powrotu echa. Gdy czas ten zmienia się istotnie (tzn. o kilkadziesiąt lub więcej mikrosekund), przekroczona została granica podłożeprostopadłościan, prostopadłościan-podłoże albo granica pomiędzy dwoma prostopadłościanami (należy przypomnieć, że mogą one być ustawione jeden na drugim!). Jest rzeczą oczywistą, że zbiór punktów granicznych o bardzo zbliżonych (tj. różniących się o nie więcej niż kilka procent) czasach powrotu obrazuje krawędzie górnej powierzchni prostopadłościanu. Rozmiary uzyskanego obrazu odpowiadają rzeczywistym rozmiarom górnej powierzchni prostopadłościanu, natomiast czas powrotu echa pozwala ustalić odległość tej powierzchni od głowicy. Punkty graniczne o bardzo zbliżonych czasach powrotu zaznaczamy na ekranie przy użyciu klawisza Enter aż do momentu zamknięcia konturu. Skasowania (wszystkich!) tak dokonanych zaznaczeń dokonujemy klawiszem Escape. Do Tab. II wpisujemy wymienione poniżej parametry: zmierzony czas powrotu echa (z dokładnością do 1 mikrosekundy) wyznaczoną z równania (1) odległość głowica-górna powierzchnia prostopadłościanu rzeczywistą długość ( X rzecz ) oraz rzeczywistą szerokość ( Y rzecz ) górnej ściany prostopadłościanu. Wyznaczamy je z równań X rzecz = X d oraz Y rzecz = Y d, gdzie X oraz Y są długościami odpowiednich boków w obrazie ultradźwiękowym, natomiast d jest długością kroku głowicy, wynoszącą 2 mm. Przypomnijmy, że oś X odpowiada dłuższemu bokowi skrzyni z badanym układem. Uwaga: Dla zwiększenia dokładności wyznaczania X rzecz i Y rzecz wykorzystać możemy znajomość natury opisanego na str. 2 artefaktu obrazu (beam width artifact). Jak to uczynić, widać poprzez porównanie Ryc. 1 i Ryc. 3! rzeczywiste położenie tego wierzchołka prostopadłościanu, który leży najbliżej punktu o współrzędnych X = 1, Y = 1. Przeliczamy współrzędne obrazu na współrzędne rzeczywiste, jak w pkt. (iii), tzn. X o,rzecz = X o d oraz Y o,rzecz = Y o d, gdzie punkt (X o,y o ) określa położenie wierzchołka w obrazie ultradźwiękowym. Dysponując odległościami górnych ścian wszystkich prostopadłościanów od głowicy, obliczyć wysokości tych prostopadłościanów (rozumiane jako długości ich krawędzi prostopadłych do podłoża) i wpisać je odpowiednio do Tab. II. 3. Na podstawie zebranych danych narysować badany obszar, w skali 1:1, na papierze milimetrowym: w rzucie xy (w płaszczyźnie skanowania), w rzucie xz (w płaszczyźnie przedniej ściany skanera) oraz w rzucie yz (w płaszczyźnie bocznej ściany skanera). 4. Nacisnąć przycisk zobacz. Pojawi się okienko dialogowe informujące o potrzebie wpisania hasła. Po wpisaniu hasła przez prowadzącego zajęcia i zatwierdzeniu go odpowiednim przyciskiem, na wykresie pojawi się obraz badanego układu w płaszczyźnie xy. Porównać ten obraz z tym uzyskanym w ćwiczeniu. Następnie wykorzystać, jak w przypadku skanu 3 Chcąc uniknąć nieporozumień podkreślmy, że przez odległość głowica-podłoże, jak też odległość głowicagórna ściana prostopadłościanu rozumiemy oddalenie głowicy od miejsca, w którym powstało echo wytworzone przez ultradźwięki.

5 demonstracyjnego, opcję Wykres 3D. Nacisnąć przycisk zakończ program i potwierdzić tę decyzję w pojawiającym się okienku dialogowym. 5. Poprosić prowadzącego o odsłonięcie skanowanego obszaru. Porównać otrzymany w skanowaniu obraz z układem rzeczywistym. 6. Wyłączyć układ skanujący i zasilacz. Zamknąć program pomiarowy, a następnie wyłączyć komputer. Wymagane wiadomości teoretyczne: 1. Ultradźwięk jako fala mechaniczna. Długość, częstotliwość i prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej. 2. Echolokacja impulsowa jako metoda umożliwiająca lokalizację przestrzenną elementów anatomicznych w obrazowaniu ultrasonograficznym. Osiowa zdolność rozdzielcza i jej zależność od częstotliwości ultradźwięku. 3. Ultrasonograficzne prezentacje A i B. 4. Artefakty obrazu USG. Zalecana literatura: 1. Hendrich A., Zastosowanie ultradźwięków w medycynie, w: Wybrane zagadnienia z biofizyki pod redakcją S. Miękisza i A. Hendricha, Volumed Merz E., Diagnostyka ultrasonograficzna w ginekologii i położnictwie, Urban&Partner 1999, rozdział 2. Układ skanujący widok z góry.

6 Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu Katedra Biofizyki Zakład Biofizyki... Ćwiczenie nr 8 Sonda ultradźwiękowa Podpis prowadzącego ćwiczenia... Imiona i nazwiska studentów Wydział: Grupa studencka: Grupa ćwiczeniowa: Data Stopień zaliczenia Tabela I Maksymalny czas powrotu [μs] Odległość podłoża od głowicy [cm] Tabela II Czas powrotu echa [μs] Prostopadłościan I Prostopadłościan II Prostopadłościan III Odległość górnej ściany od głowicy [cm] Szerokość X rzecz [cm] Długość Y rzecz [cm] Rzeczywiste położenie zadanego wierzchołka [cm] X o,rzecz = Y o,rzecz = X o,rzecz = Y o,rzecz = X o,rzecz = Y o,rzecz = Wysokość [cm]