超音波 Ultrasound
典型超音波系統與影像
What is Ultrasound? Ultra-sound 超音波 一般聲頻 :15 Hz ~ 20 khz 超音波 : >20 khz 醫用超音波 :2 ~ 10 MHz
聲波 / 超音波特性 機械波 (Mechanical wave) Require medium to propagate ( 介質波 ) The medium particles oscillate/vibrate to propagate sound waves. 依介質振動和波傳遞方向的關係可分 縱波 : 介質為氣體 液體 橫波 : 固體 黏滯性強的液體
聲波的傳遞
波速 Sound velocity C: speed of sound λ: wave length f: frequency 空氣中聲波的速度?
人體各組織的波速
波反射示意圖
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
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
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 ( 鋯鈦酸鉛, PZT) 用來發射訊號 : 電訊號 超音波 當然也可接收訊號 : 超音波 電訊號
壓電效應材料示意圖 形變 造成 電壓, 反之亦然
超音波探頭原理 雙向轉換 : 發射器與接收器相同!
超音波探頭
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 Received Signal Processing T/R switch Transducer
波反射 :Reflection 在不同介質中傳遞 頻率不變, 聲速與波長改變 波進入不同的物質會產生反射 特性差異越大, 反射比例越高 超音波影像對比的來源!
Reflection/transmission coefs. Acoustic impedance (Z) Reflection coefficient Transmission coefficient Intensity of ultrasound wave: I = p 2 / Z
如果超音波直接由空氣進入人體 and 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 )
做超音波檢查都需要潤滑劑 傳導膠避免探頭與人體間的空氣造成過大反射
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
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
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
A mode ultrasound 已經滿少見到了
B Mode 超音波影像 只是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
B mode ultrasound 原理 Pulse repetition period (PRP): 大部分時間在收訊
B Mode 掃瞄時間 每條掃瞄線 = 2 x 距離 / 波速 40 cm ~ 0.5 msec 視覺暫留 ~ 1/16 sec 基本上是 real time imaging
B mode ultrasound
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 vs. 時間軸
M mode ultrasound www.medical.philips.com
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
Doppler Effect 靜止不動 移動物體
Doppler Ultrasound 量測血液流速
超音波的優劣勢 價廉 portable 即時顯像 無放射性 合併治療潛力(HIFU) 缺點 : speckle 組織不均勻度導致 body-type dependent image quality
磁共振造影 Magnetic Resonance Imaging
磁共振造影 始於核磁共振頻譜 Bloch & Purcell : 外加磁場後測得原子核之磁性 (1952 Nobel prize) 從一維頻譜到二維影像 P. Lauterbur : 以磁場梯度分辨出兩支含水試管的位置 (2004 Nobel prize)
基本的概念 Magnetic : 信號來源 ( 磁性 ) Resonance : 激發與偵測原理 Imaging : 將信號位置編碼
核磁共振 : 物理現象 Nuclear magnetic resonance 起源 : 具有質量與電荷的旋轉粒子 質量 + 旋轉 = 角動量 ( 陀螺 ) 電荷 + 旋轉 = 磁矩 ( 磁鐵 )
氫原子核 = 單一質子 器官內的氫原子核 ( 水 ) 酷似小磁鐵
人體內氫原子的來源 水 (H 2 O) 脂肪 蛋白質... 每 18 公克的水含有 2 x 6 x 10 23 個氫原子! 全部加起來, 人體就可以吸鐵釘囉?
外加磁場對氫原子核小磁鐵的影響 不規則排列 主磁場規則的排列
外加磁場的影響 氫原子核整齊排列 人體產生磁性 哇! 照完 MRI 之後, 鐵釘都會朝著我飛過來? 別急, 請放心 人體的磁性非常微弱 離開 MRI 就恢復原狀
實際的狀況 ( 量子物理 + 統計力學 ) 主磁場 : 1.5 Tesla 每一百萬個氫原子核中只多五個
給一個概念 外加磁場 = 1.5 Tesla = 地磁三萬倍 人體引發的磁鐵 ~ 0.05 Gauss ~ 地磁十分之一 離體表愈遠, 磁性愈小
主磁鐵 MRI 需要些什麼設備? 強磁鐵, 而且是放得下人的 用鐵來做成永久磁鐵? 線圈通電形成電磁鐵?
永久磁鐵 MRI 磁場強度最大可達 0.3 Tesla, 但也重達數十噸
電磁鐵 MRI 鐵芯電磁鐵 MRI 略輕, 耗電量極高, 外洩磁場強
超導體電磁鐵構造 ( 目前最廣泛使用者 ) 超導導線浸在液態氦 (-269 ) 真空 液態氮 (-196 ) 磁場強度可達 8 Tesla 以上
MRI 超導體電磁鐵實體圖 還沒有漂亮的封裝 安裝完成後 (NTUH) http://mrilab.mc.ntu.edu.tw/about.html
超導體磁共振影像儀 GE Signa 1.5 T Siemens Trio 3.0 T
超導體開放式 MRI Siemens Concerto 0.2 T 病患可直立 Table 還可旋轉
何以超導磁鐵較受歡迎? 外加磁場強 = 信號強 = 好影像 3 T 信號 ~ 1.5 T 的 200% 儀器穩定度高 比永久磁鐵輕 (6~7 噸左右 ) 市場需求推動大量技術發展
基本的概念 Magnetic : 信號來源 ( 磁性 ) Resonance : 激發與偵測原理 Imaging : 將信號位置編碼
磁性存在還不夠 經過適當的激發以利信號偵測 磁鐵運動可以產生感應電流 Faraday s law 迫使磁性運動 = excitation 偵測磁性運動方式 = detection
氫原子核的自轉 自轉運動導致 : 電荷旋轉 : 磁化 ( 受磁力吸引 ) 質量旋轉 : 慣性 ( 抗拒磁力吸引 ) 同時作用 = 因磁場引起之旋進
除了自轉還繞著主磁場旋進 B 0 M 自轉 :spin 旋進 :precession
旋進的快慢 與磁場成正比 (Larmor equation) ω ( 頻率 ) = γ ( 比例常數 ) B ( 磁場 ) γ : 旋磁比,gyromagnetic ratio (42.58 MHz/Tesla for proton) 磁性旋進 = 感應電流 63.87 MHz @ 1.5 Tesla
但是... 外加主磁場只負責強化人體磁性, 並不提供激發功能 人體磁鐵 會產生, 但不會運動 若要產生運動, 須靠外力激發 MRI 的基本工具之二 : 射頻線圈
主磁場 (B 0 ) 產生人體磁鐵 z B o B o M B 1 y x 熱平衡狀態下, 淨磁矩大約與主磁場平行
MRI 中的信號激發 (B 1 : 激發磁場 ) z B o B o M B 1 y x 外加與主磁場垂直的激發磁場
激發磁場開啟時主磁場依舊存在 z B o B o M B 1 y x M 繞行 B 0 與 B 1 的向量和做旋進動作
激發脈衝關閉 z B o B o M y x 氫原子核磁性開始旋進運動 (63.87 MHz)
信號激發的儀器 (RF Coil) 垂直於 B 0 的高頻率旋轉磁場 產生方式 : 高頻電流通入線圈 只要是繞線線圈都行 配合共振線路 : 電容電感 在 Larmor frequency 範圍需高效率
接收 MRI 信號的設備 仍然是類似螺線管線圈 必須能夠有效收到高頻率信號 激發之後的磁鐵運動仍是在 Larmor frequency 範圍 所以接收線圈可以用激發線圈 也可以分別製作, 接近人體
各式各樣的接收線圈
有效結合數個表面線圈 : 陣列線圈 Spine phased array Head phased array
最最基本的概念 Magnetic : 信號來源 ( 磁性 ) Resonance : 激發與偵測原理 Imaging : 將信號位置編碼
如果局部變化磁場強度 原子核的反應也各處不同 位置 磁場大小 旋進頻率 激發磁矩時, 根據切面選擇頻率 接收信號時, 讓頻率隨位置變化 MRI 的基本工具之三 : 梯度線圈
如何製造 隨位置改變 的磁場? Maxwell pair
製造 隨位置改變 的磁場 Bo 在 Bo 上另外加一個 隨位置變化 的磁場
共振頻率因而亦 隨位置改變 Bo
射頻脈衝只激發頻率相同的氫原子核 Bo RF 頸部掃瞄
調整射頻脈衝頻率選擇欲激發的切面 Bo RF 頭部掃瞄
信號接收的空間編碼 所接收信號的頻率 = 磁鐵旋進頻率 磁場強度隨位置變化時, 旋進頻率也處處不同 位置訊息融入頻率中 計算頻譜以獲得影像 我們就先點到為止吧
MRI 主要儀器元件
磁共振影像特性 多方向性的多切面 (multi-slice) 能力 成像速度 vs. 影像解析度 豐富的影像對比 Proton density, T1 weighted, T2 weighted ( 等一下就會解釋 ) Contrast agent: short T1
磁共振影像特性 : 型態 型態是最基本的診斷根據 多方向的斷層掃瞄提供方便的 view Transaxial coronal sagittal 甚至斜角度 多角度切面
MRI 的多方向掃瞄 Cardiac MRI: Short-axis view www.nhlbi.nih.gov
甚至可以同一次內多角度掃瞄 lumbar sacrum 對脊椎掃瞄特別有用
成像速度 vs. 空間解析度 空間解析度越高代表 Pixel size 越小 根據傅利葉轉換, 所需取樣時間越長 成像速度慢 SNR 越低 (proton 數量正比於 pixel size)
影像解析度 Routine 3D Brain (0.98 0.98 1.3 mm 3 voxel)
MRI 的診斷資訊 軟組織對比 ( 例如 : 腦部 ) T1 T2 質子密度 與 CT 提供不同的資訊 獨特之鑑別病灶能力
MRI 中的信號激發 (B 1 : 激發磁場 ) z B o B o M B 1 y x 前提 : 激發脈衝頻率 = 氫原子核旋進頻率 ( 共振 )
激發脈衝關閉 z B o B o M y x 氫原子核磁性開始旋進運動 (63.87 MHz)
不是這樣就結束了 經過激發的磁性, 會在時間久了之後恢復原狀 ( 熱平衡 ) 縱向磁矩恢復 : T1 relaxation 橫向磁矩衰減 : T2 relaxation
MRI relaxation z B o B o M y x 時間一久, 磁性恢復與主磁場平行
T2 relaxation/decay (XY-plane) 信號強度 磁鐵愈變愈小了! 時間 M(t) = M 0 e -t/t2
T1 relaxation/recovery (Z-axis) 信號強度 磁矩愈變愈大了! 時間 M(t) = M 0 (1-e -t/t1 )
MRI 的腦部影像對比 PDWI T1WI T2WI 常用來分辨病灶
其他可以控制 MRI 對比的方法 注射顯影劑 順磁性重金屬離子, 大幅縮減 T1 改變成像方式凸顯特性 應用 : 分離水與脂肪的訊號 偵測血氧濃度 血液流速 水分子擴散現象 非常非常非常多
MRI 的各種應用 水影像 擴散權重影像 脂肪影像功能性影像 ( 聽覺 )
MRI 的持續發展 老話一句 : 講不完 但是這絕不代表 MRI 有多好 各種醫學儀器都有特定適用場合 但如果你要,MR 絕對還有更多
上了這麼多醫學影像. 你們覺得哪種最具優勢?
各種醫學影像範例
Case by case! 在各種不同的應用上絕對各有千秋 各有消長, 但難以取代 醫療成本的考量 第一線診斷? 追蹤檢查? 沒有醫學的 醫學工程 是沒用的!
生醫工程導論 : 醫學影像