超音波影像 Ultrasound 彭旭霞 國立清華大學生醫工程與環境科學系 1
Contents 聲波及超音波特性 超音波影像原理 2
典型超音波系統與影像 3
What is Ultrasound? Ultra-sound 超音波 一般人耳可聽到聲頻 :20 Hz ~ 20 khz 超音波 :>20 khz 4
What is Ultrasound? 一般醫用超音波 :2 ~ 18 MHz - 7~18 MHz: 表淺組織 ( 肌肉, 肌腱, 新生兒腦部 ) - 1~6 MHz: 深部組織 ( 肝臟, 腎臟 ) 別名 : Ultrasonography, Sonography ( 超音波影像 ) 5
聲波及超音波特性 : 名詞介紹 機械波 (Mechanical wave): 需介質才能傳遞的波 - 水波 - 聲波 - 繩上波 橫波 (transverse wave) - 介質質點 ( 或 場 ) 震盪方向與能量傳遞方向垂直 - ex. 電磁波, 繩上波 縱波 / 疏密波 (longitudinal wave) - 介質的震盪方向與能量傳遞方向平行 - 聲波 ( 在空氣中傳遞 ), 地震波 (P 波 ) 6
聲波的傳遞 7
波速受傳遞介質特性的影響 Newton-Laplace equation v: velocity B: bulk modulus (kg/m-sec 2 ); coeffi. of stiffness ρ: density (kg/m 3 ); 介質密度 V: volume P: pressure Bulk modulus: measures the substance's resistance to uniform compression 波速會受到介質特性影響 8
聲波波速 Air (20 o C): 343.2 m/sec Liquid: ~1484 m/sec (~4.3 倍 ) Iron: 5120 m/sec (~15 倍 ) 此位武功高強的大俠正在? 9
人體各組織的波速 大部分商用儀器預設軟組織聲波波速 : 1540 m/sec 10
超音波在介質傳遞的特性 在不同介質中傳遞 - 頻率不變 - 聲速改變 反射 (Reflection) 折射 (Refraction) 散射 (Scattering) 衰減 (Attenuation) 11
簡單波反射示意圖 應該看過這個圖吧! 12
Reflection 波進入不同的物質會產生反射 聲阻抗 (characteristic acoustic impedance) 單位 : kg/(m g( 2 sec), Rayl 13
Reflection/Transmission coefficients Reflection coefficient Transmission coefficient 14
如果超音波直接由空氣進入人體 and 注意這個平方 只有 30 db 的訊號進入人體, 有打跟沒打一樣! 再加上探頭 (PZT 材質, 阻抗超大 ) 15
decibel (db) Power quantities: Amplitude quantities: 16
decibel (db) 用途 比較兩個數量級差很多的數值 17
難怪做超音波檢查都需要潤滑劑!! 避免探頭與人體間的空氣阻抗不匹配 => 造成過大反射 18
Refraction Incident θ i θ r Reflection Reflection coefficient Z 1 = ρ 1 C 1 interface Z 2 = ρ 2 C 2 C 2 >C 1 θ t Refraction Transmission coefficient Snell s Law 19
Scattering 臨床超音波的波長? 20
波速與波長 Sound velocity v: sound velocity λ: wavelength f: frequency 空氣中聲波的速度? - V=330 m/sec - f= 2 MHz - 波長 = 0.165 mm 21
Ultrasound 波長 Frequency (MHz) Period (us) Wavelength (mm) 1 1.00 1.54 2.25 0.44 0.68 2.50 0.29 0.44 5.50 0.20 0.31 7.50 0.13 0.21 10.00 0.10 0.15 假設人體組織中波速 =1540 m/sec Question: US 頻率愈高, 空間解析度愈? 22
Ultrasonic scattering in bio-tissues 數學理論推導較複雜, 請先著重在其意義 波長大於散射源 (scatterers) - 人體軟組織的散射源約小於 100 μm (red cell: 5 μm) - 5 MHz Ultrasound 的入射波長 =? Rayleigh scattering 23
Ultrasonic scattering in bio-tissues 超音波在隨機散佈的散射源中產生更多散射 - Linear summation of all scattering - Coherent interference of scatterers 影響散射程度的因素 - 散射源的大小 - 組織特性 24
所以常會看到 : Speckle 為什麼超音波影像總是有點模糊? 25
Speckle noise 超音波散射會產生班點狀雜訊 (speckle) - 影響低對比影像的判讀 與組織特性有關 與散射源的幾何分佈無關 增加的雜訊 (Multiplicative noise) - 一般超音波影像 : ~ 4.34 db 26
Attenuation 衰減因素 : - 組織吸收 ( 主要 ) - 散射 Attenuation coefficient (μ) - Attenuation (of intensity) in soft tissue ~ 0.3-0.5 db/cm-mhz - ex. What is the maximal depth for a 5 MHz US transducer with 60dB dynamic range? 27
Attenuation 28
Attenuation What is the maximal depth for a 5 MHz US transducer with 60dB dynamic range? 29
Contents 聲波及超音波特性 超音波影像原理 30
超音波影像原理 超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 Pulser Display Received Signal Processing T/R switch Transducer 31
超音波影像原理 超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 Pulser T/R switch Transducer 32
超音波發射源與接收器 探頭 (probe, transducer) - 壓電 (piezoelectric) 效應 - 電壓 <=> 機械波 - Lead zirconate-titanates titanates ( 鋯鈦酸鉛, PZT) 發射訊號 : 電訊號 => 超音波 接收訊號 : 超音波 => 電訊號 33
壓電效應材料示意圖 Transmitting Receiving 形變造成電壓, 反之亦然 34
超音波探頭原理 雙向轉換 : 發射器與接收器相同! 35
Resonance in Piezoelectric materials 壓電材料產生的弦波訊號在自體產生共振 - Fundamental resonance frequency (f 0 ) 共振頻率與材料厚度有關 - λ 0 = v/f 0 = 2d T 每個探頭都有自己的共振頻率 36
Resonance frequency enc of transducer Question: What is the thickness of the PZT layer in a 10-MHz ultrasound transducer? (sound speed in PZT = 4000 m/sec) 37
Matching layer 壓電材料與人體的阻抗相差數十倍 直接接觸 : 超音波無法有效送入人體 Matching layer: - 增加入射效率 - 單層或多層結構 - 根據中心頻率決定厚度 38
發射聚焦 39
接收聚焦 40
超音波探頭 41
超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 超音波影像原理 Pulser Received Signal Processing T/R switch Transducer 42
Acoustic Impedance ( 相對值 ) 與波速 Material Acoustic Impedance Sound velocity (MRayl) (m/sec) 水 1.48 1484 血液 1.65 1550 心肌 1.62 1550 脂肪 1.34 1450 肝臟 1.65 1570 腎臟 1.63 1560 骨骼 6.0 3360 鋁 17.0 6420 空氣 0.00040004 343 超音波影像對比的來源! 43
Speed of Sound in Various Tissues 15% 10% 5% Assumed speed of sound = 1540 m/s 0% -5% -10%
超音波影像原理 超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 Display Received Signal Processing 45
超音波影像形成與應用 Amplitude (A) mode Brightness (B) mode Motion (M) mode Color Doppler: 血流測定 46
A Mode 超音波影像 單方向發射超音波 接收反射波的時間換算成距離 反射波強度以振幅顯示 二維圖形 = 一維影像 - Pulse echo imaging g 47
A mode ultrasound 現已較少見到 48
A mode ultrasound: brain midline 早期應用 : 量測從兩側量測到的 brain midline 移動振 幅是否相同 ( 現在較少見到 ) 49
B Mode 超音波影像 把振幅改用亮度顯示 - 從一個圖改為一條線 多條線掃瞄 => 二維影像 最常見到的臨床使用方式 50
B mode ultrasound 原理 A-mode B-mode A-mode 振幅轉換為影像亮度 51
B mode ultrasound 原理 2D shape and reflectivity of object: Mechanical scanning 52
B mode ultrasound 原理 Pulse repetition period (PRP): 大部分時間在收訊 53
B mode ultrasound 原理 Pulse repetition period Range of depth Given matrix size of a B-mode image - frame rate 根據待測物的條件決定 PRP 54
B mode image formation 55
B Mode 掃瞄時間 每條掃瞄線從發射到接收的總時間 = 2 x 距離 / 波速 - 位在 40 cm 深的組織 : ~ 0.5 msec - 視覺暫留 : ~ 1/24 sec (~ 40 msec) 基本上是一種 real-time imaging 56
Real-Time Imaging 重要性 Interactive ( 一邊看一邊移動 ) 目視判斷彌補影像品質的不足 不受組織運動的影響 - 心跳 - 胎兒 : 不會乖乖立正站好 57
B mode ultrasound 較早期影像 : gallbladder? Liver? Kidney? 58
B mode ultrasound 現在常見影像 : Liver 59
B mode ultrasound Mild plaque & calcification Intravascular ultrasonic image 60
M Mode 超音波影像 單方向發射超音波 + 亮度顯示 - 一維影像 隨時間做追蹤以檢視器官運動 - 二維 : 空間軸 + 時間軸 61
Time-motion ultrasound: mitral valve 3 cardiac periods relatively static moving relatively static MV: mitral valve; IVS: interventricular septum; LV: left ventricle; LA: left atrium 62
M mode ultrasound 現在常見的 M mode www.medical.philips.com63
整理 : Echo display mode 64
Color Doppler Ultrasound 利用都卜勒效應檢視流速 - 介質速度改變超音波頻率 ( 波長 ) - 假設角度已知 以色彩顯示頻率所換算的流速 65
Doppler Effect 靜止不動移動物體注意 : 這個例子是觀察者不動, source 移動 66
量測血液流速 - 紅 : 向著探頭 - 藍 : 遠離探頭 - 詳見機器設定 Doppler Ultrasound 67
Doppler Ultrasound 心肌組織運動速度 可計算 : 速度與速度隨時間的變化 ( 加 / 減速度 ) 68
3D ultrasound imaging 將不同切面的 B-mode 影像重組 - Not real-time 2D-array transducer - Real-time - 仍在發展中 69
優勢 - 價廉 - 可攜式 (portable) - 即時顯像 - 無放射性 - 成像原理簡單 超音波的優勢 - 合併治療潛力 ( 超音波碎石, HIFU ) 70
缺點 - bone 超音波的可能限制 - gas (lung, pancreas (due to gastrointestinal tract )) - body habitus influence image quality: obese patient - operator-dependent 71
超音波的治療用途 牙科 : 清潔牙齒 ( 牙結石 ) 超音波碎石 : 腎臟 高能聚焦超音波 : 腫瘤組織治療 72
HIFU What is HIFU? High Intensity Focused Ultrasound - 針對病兆組織聚焦式燒灼 - 不傷害周圍正常組織 HIFU transducer (lateral view) HIFU transducer 2 cm 0.5 cm 73
MR guided HIFU: 4-spots experiment: porcine muscle 探頭移動順序 : B=>D=>A=>C A B C D US: 40W CW; Heating duration: 45 sec/spot 74
超音波的發展 Reduction of speckle noise Harmonic imaging Tissue functions Therapy (HIFU) Drug delivery 75