Technika ultradźwiękowa w diagnostyce medycznej SEMESTR VI Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Technika ultradźwiękowa w diagnostyce medycznej III Anteny cd Podstawowe rodzaje obrazowań Organizacja skanera
Anteny i układy anten ultradźwiękowych cd Strefa bliska promieniowania przetwornika, sterowanie (odchylanie) oraz ogniskowanie wiązki
Strefa bliska promieniowania przetwornika (przetwornik liniowy, pobudzenie harmoniczne, strefa Fresnela) Głębokości obrazowania kilkunastu cm Głowica (sonda) liniowa (fazowa): długość fali λ=c/f dla f=3.5 5MHz λ=0.43 0.3mm pojedyncze cm do odstęp między elementami głowicy liniowej zbliżony do λ, długość anteny 18-elementowej 54-38.4mm Obrazowanie także w strefie bliskiej x r ro xsin Θ + r o Strefa bliska promieniowania przetwornika (przetwornik liniowy, pobudzenie harmoniczne, strefa Fresnela) x r ro xsin Θ + r jkρc p( ro,sinθ) vo exp( j( ωt kro ) πr o o L / e L / x jk( xsinθ ) ro Jeśli do fazy prędkości wprowadzimy czynnik zależny od kwadratu położenia, możemy wyeliminować wyraz (-x /r o ): v( x) = v exp j( ω t + kβx ) o dx jkρc p( r,sin Θ) v exp( j( ωt kr ) o o o πr o L / e L / x jk( xsinθ + βx ) ro dx jeśli β=1/r 0, wyrazy zależne od x zostają wyeliminowane następuje zogniskowanie wiązki w odległości r o!! Ogniskowanie wiązki polega więc na odpowiednim doborze opóźnień!
Podstawowe typy głowic (sond) USG Sonda mechaniczna sonda wieloelementowa liniowa Skanowanie odbywa się poprzez zmianę położenia (obrót, ruch wahadłowy) elementu aktywnego Skanowanie odbywa się poprzez pobudzanie kolejnych grup elementów sondy
Sonda liniowa sterowana fazowo Skanowanie odbywa się poprzez elektroniczne sterowanie (zmianę opóźnień pobudzeń); pobudzane są wszystkie elementy sondy Uproszczone charakterystyki promieniowania wieloelementowych sond ultradźwiękowych sonda ze sterowaniem fazowym sonda liniowa - szkic rozkładu cisnienia widoczna różnica właściwości rozkładu ciśnienia w płaszczyżnie skanowania i w płaszczyźnie elewacji (rysunki symulowanych rozkładów ciśnienia pochodzą z materiałów Dept. Med. Biophysics, Univ. of Toronto) sonda liniowa - wynik symulacji rozkładu ciśnienia
Parametry źródła fali krążek f# (f-number - przysłona) f - ogniskowa, D - wymiar źródła (np. średnica) f = # f D rozmiar poprzeczny w ognisku (-6dB spadek ciśnienia ) d F = λf # głębokość ogniska/pola (depth of focus/field) (-6dB spadek ciśnienia ) L F = 4λf # Parametry źródła fali głowica liniowa f# (f-number - przysłona) f - ogniskowa, E, A - wymiary źródła (elewacja, azymut) f # E, A = f D E, A rozmiar poprzeczny w ognisku w elewacji (-6dB) d = λ E f E rozmiar poprzeczny w ognisku w azymucie (-6dB) d A = λf A głębokość ogniska/pola (depth of focus/field) L F = 7λf #
Rozkład ciśnienia generowany przez sondę liniową Koniec strefy bliskiej: a L = λ L Rozkład ciśnienia generowany przez sondę liniową rozmiar poprzeczny (rozdzielczość - FWHM Full Width Half Maximum) FWHM = d A = λf A
Rozkład ciśnienia generowany przez sondę liniową głębokość ogniska (DOF) DOF = LF = 7λf # Sterowanie elektroniczne przy nadawaniu ( beamforming on transmit ) i odbiorze ( beamforming on receive )
Sterowanie elektroniczne przy nadawaniu Sterowanie elektroniczne przy nadawaniu
Sterowanie elektroniczne przy nadawaniu f ( t) F ( ω ) f ( t)exp( jω t) F( ω + 0 ω 0 v( x) v( x)exp( jkαx) ) x r ro xsin Θ + r - odchylenie wiązki o kąt arcsin(α) o v( x) = vo exp j( ω t + kβx ) - korekta wyrazu x /r o - w strefie bliskiej - różnica opóźnień pobudzeń kolejnych elementów anteny wymagana dla odchylenia wiązki o żądany kąt (wartość kąta może być różna dla różnych elementów anteny) rn τ = = nd sinα / c n n c Sterowanie elektroniczne przy nadawaniu (ogniskowanie)
Sterowanie elektroniczne przy nadawaniu (odchylanie) Sterowanie elektroniczne przy nadawaniu (ogniskowanie i odchylanie)
Formowanie wiązki przy odbiorze (beamforming on receive) Fale odbite od celu docierają do poszczególnych elementów anteny ultradźwiękowej z różnymi fazami, co wynika z różnicy odległości celposzczególne przetworniki. π ϕi = kd sin Θ = d sin Θ λ jeśli d~=λ/ ϕ i = π sin Θ zastosowanie opoźnień φ i /c pozwala skorygować różnice faz wynikające z różnic odległości od celu poprawa rozdzielczości wzdłużnej Formowanie wiązki przy odbiorze (beamforming on receive) Fale odbite od celu docierają do poszczególnych elementów anteny ultradźwiękowej z różnymi fazami. zastosowanie opoźnień φ i /c pozwala skorygować różnice faz wynikające z różnic odległości od celu poprawa rozdzielczości wzdłużnej
Elektroniczne sterowanie przy nadawaniu i odbiorze Użycie większej liczby elementów anteny liniowej odsuwa ognisko (granicę strefy bliskiej i dalekiej), użycie mniejszej liczby elementów przybliża. Sterowanie przy nadawaniu Sygnał pobudzający jest kombinacją pobudzeń zapewniających ogniskowanie w F1 oraz w F
Sterowanie przy odbiorze Ogniskowanie dynamiczne przy odbiorze: - położenie ogniska jest zmieniane przez zmianę opóźnień - liczba elementów sondy jest zwiększana mniejsza szerokość wiązki (dotyczy to obszaru do ogniska F9, po czym liczba elementów pozostaje stała szerokość wiązki rośnie. Tworzenie dwóch linii obrazu przy pojedynczej emisji Wiązka emitowana jest przez zespół elementów oznaczony kolorem pomarańczowym. Przy odbiorze wykorzystywane są te same przetworniki; z ich sygnałów wyjściowych dzięki beamformingowi (dobór opóźnień) tworzone są dwie linie obrazu.
Podstawowe rodzaje obrazowań Przykłady obrazowań D + CFM + widmo sygnału dopplerowskiego D M
Obrazowanie typu A Obrazowanie typu D (B)
Obrazowanie typu M (TM) Płód Struktury serca Obrazowanie typu C Stosowane głównie do badania stopnia zwapnienia kości (kość piętowa pomiar tłumienia i czasu opóźnienia)
Ogólny schemat blokowy ultrasonografu Obrazowanie nie tylko struktura, ale także: - kolorowa mapa prędkości przepływu krwi (CFM) -analiza widmowa sygnału prędkości przepływu
Schemat blokowy skanera Schemat blokowy skanera I Tor analogowy każdego elementu sondy zawiera wzmacniacz i TGC, beamforming analogowy, pojedynczy przetwornik A/C
Schemat blokowy skanera II Najbardziej elastyczna struktura każdy element sondy posiada własny tor z przetwornikiem A/C włącznie, beamforming po konwersji A/C Operacje poprzedzające powstanie obrazu D Echa ultradźwiękowe na różnych etapach przetwarzania