Princip kontrastního ultrazvuku Petr Nádeníček1 Martin Sedlář2 1 Radiologická klinika LF MU a FN Brno 2 Biofyzikální ústav LF MU Brno

Akustická impedance akustický vlnový odpor prostředí odpor, který klade prostředí ultrazvuku rozhodující veličina při odrazu a lomu uz vln na akustických rozhraních z ... akustický vlnový odpor N.s.m–3 v ... akustická rychlost m.s–1 p... akustický tlak Pa ρ ... hustota prostředí kg.m–3 c ... rychlost šíření ultrazvuku prostředím m.s–1 Rozdíly rozdíly v akustické impedanci jsou základním předpokladem jakéhokoliv uz zobrazení (např. dvourozměrného nebo dopplerovského obrazu).

Akustická impedance, rychlost šíření zvuku závisí na hustotě prostředí Prostředí Rychlost m.s–1 Akustická impedance Pa.s.m-1* Vzduch 330 0,0004 Destilovaná voda 1480 1,52 Sklivec 1532 – Játra 1550 1,62 Měkké tkáně 1,65–1,74** Ledviny 1560 Kost 3500 3,75–7,38 **svalová tkáň * Hrazdira I. a L., Malý, Z. Nevrtal M., Toman J., Veselý T.: Úvod do ultrazvukové diagnostiky, Brno, 1993 (Wells, 1977)

Koeficient odrazu a přenosu uz energie vztah vyjadřující poměr intenzit odražené a dopadající UZ vlny na rozhraní dvou tkání o rozdílné ak. impedanci: měkké tkáně 1,65 vzduch 0,0004 CEUS Pa.s.m-1 Z2 Z1 Z2 Z1 Z2 Z1 R = 0,998 R … činitel odrazu z … akustická impedance 1,2 … různá prostředí akustické rozhraní blízký 1... vysoký odraz Čech, E. a spol.: Ultrazvuk v lékařské diagnostice a terapii. 1982, s. 44.

Mechanický index - MI MI < 1,9 MI < 0,23 – v oftalmologii vyjadřuje stupeň nebezpečí poškození tkáně kavitací závisí na frekvenci a energii vysílaného ultrazvuku Pr3 – akustický tlak v hloubce Zsp - hloubka fc – střední frekvence ultrazvuku v MHz MI odpovídá poměru součinu P a Z a odmocniny Fc. MI < 1,9 MI < 0,23 – v oftalmologii Leighton T.G. 1989, Gavrilov L.R. 1988, Holland Ch.K. 1989

ODS – Output Display Standard MI – mechanický index TI – tepelný index přenesení zodpovědnosti na lékaře ODS – Output Display Standard V souvislosti s potenciálními riziky přenosu energie ultrazvuku do tkáně vznikl systém, jehož součástí je zobrazení mechanického a tepelného indexu na obrazovce. Tak je lékař neustále informován o expozici pacienta, přičemž je tímto způsobem přenesena případná zodpovědnost na lékaře. V červeném kroužku jsou zobrazeny oba indexy.

Definice kontrastní látky Kontrastní látka je skupina definovaných částic, které se aplikují do organismu (krevní oběh, dutiny, aj.), za účelem zvýšení zpětného odrazu ultrazvukového vlnění od jejich povrchu.

Kontrastní látky – proč? Sonasoid Zvyšování kontrastu UZ zobrazení. Zlepšení koeficientu signál – šum Snaha zesílit odrazivost struktur zvyšují echogenitu proudící krve KL mohou nahradit řadu zobrazovacích modalit CT MR KL mohou nahradit intervenční metody angiografie kardiologie Arteriální fáze - začíná ~8-15 s po aplikaci; MI (orientace), pak MI Porto-venózní fáze - 10-25 s MI Pozdní fáze - 1-5 min. Úprava MI dle zobrazení. MI 0,11 - zobrazení okolních oblastí MI 0,07 - centrace na lézi

Jaké částice vodné roztoky emulze suspenze Galaktózové mikročástice vodné roztoky emulze suspenze enkapsulovné bubliny - mikrobubliny Echovist (Shering, Berlin, Germany) je KL neprocházející plicním oběhem pro její rozpuštění během pasáže plicními kapilárami. Tato KL byla vyvinuta pro echokardiografii pravého srdce a některé nekardiologické aplikace, mezi které patří například hysterosalpingo-kontrastní sonografie (HyCoSo). Echovist je suspenze speciálně zhotovených galaktózových mikročástic (obr. 7) ve vodném roztoku galaktózy (Schlief, R., 1996). Velikost mikrobublin je průměrně 3,5 μm, přičemž 99 % mikrobublin je menší než 12 μm (Goldberg, B. et al, 1993). AlbunexTM je KL (Christiansen, C. et al., 1994), která je schopna projít plicními kapilárami, a tak zlepšit zpětný odraz ultrazvukového vlnění v levé srdeční komoře nebo arteriích. Skládá se ze vzduchem naplněných albuminových mikročástic rozptýlených v 5% roztoku lidského albuminu. Suspenze je sterilní, apyretická, isotonická, s neutrálním pH. Zvýšení echogenity je průchod kapilárami plicního řečiště

SF6 hexafluorid sýrový, fluorid sýrový Fluorid sírový (též hexafluorid síry, někdy označovaný podle vzorce SF6) je bezbarvá, plynná, anorganická chemická látka se vzorcem SF6. Emilio Quaia: Microbubble ultrasound contrast agents: an update. European Radiology. August 2007, Volume 17, Issue 8, pp 1995-2008

Mikrobubliny velikost do 7 µm chovají se jako krvinky mikrobubliny neextravazují nepřestupují endotel nedochází k interstitiální fázi blood pool agent odražený signál demontruje přítomnost cévy pod UZ rezonují lze je i „rozbít“ – záleží na MI 20x zvětšení, optický mikroskop, bílá šipka SonoVue, černá šipka erytrocyty 100 milion krát vyšší odrazivost mikrobublin než krve. Rozdíl akustických impedancí krve a mikrobublin.

Farmakokinetika - SonoVue® Rychlé vyloučení plícemi ("vydýchá se") 40-50 % během 1 minuty. Eliminace 80-90 % bublin do 11 minut. Eliminace obdobná u mužů a žen není závislá na dávce. SonoVue®. Příbalový leták.

Mikrobubliny Při srážce UZ vlny s mikrobublinou dojde k oscilaci bubliny asymetrická nelineární oscilace (rezonance) generují se akustické vlny složené z vyšších a nižších zejména harmonických frekvencí stlačení je kvůli plynné náplni limitováno expanze je mnohem větší nežli komprese (poloměr bubliny se zvětší až o několik set %)

Velikost MI Nízká energie (MI < 0,2) ultrazvukové vlnění se od mikrobublin jen odrážejí bubliny nerezonují, jejich velikost se nemění Hrazdira I.: Úvod do ultrasonografie. 1998. S.Moir, T.Marwick: Review. Combination of contrast with stress echocardiography: A practical guide to methods and interpretation. Cardiovascular Ultrasound 2004, 2:15.

Velikost MI Střední energie MI (0,2-1,0) bubliny dostávají do rezonance s frekvencí dopadajících uz impulzů nelineární asymetrická oscilace vznik vyšších harmonických frekvencí (f, 2f, …) Hrazdira I.: Úvod do ultrasonografie. 1998. S.Moir, T.Marwick: Review. Combination of contrast with stress echocardiography: A practical guide to methods and interpretation. Cardiovascular Ultrasound 2004, 2:15.

Velikost MI Vysoká energie MI > 1 - bubliny se roztříští a zanikají vznik velkého množství zejména harmonických frekvencí 1/2f, f, 2f, 3f, 4f Hrazdira I.: Úvod do ultrasonografie. 1998. S.Moir, T.Marwick: Review. Combination of contrast with stress echocardiography: A practical guide to methods and interpretation. Cardiovascular Ultrasound 2004, 2:15.

Vyšetřování s vysokým MI (>1) Vyšetřování s nízkým MI (<1) umožňuje dynamické zobrazení vplavení (wash-in) KL do tkáňových struktur a její vyplavení (wash-out) zpřesnění ložiskových lézí možnost záznamu všech vaskulárních fází (arteriální, portovenózní, pozdní) Vyšetřování s vysokým MI (>1) Stimulovaná akustická emise (SAE) Zvýšení MI vede v poslední fázi k destrukci bublin u KL s rychle rozpustnými plyny Hrazdira I.: Úvod do ultrasonografie. 1998

Harmonické zobrazení

Harmonické zobrazení Detekce druhého harmonického kmitočtu a potlačení základního kmitočtu vysílaného sondou Výrazné zlepšení poměru signál-šum Zvýšení kontrastu a prostorového rozlišení Kmitáním bublin KL vpravených do krevního oběhu Kmitáním samotných tkáňových struktur v důsledku nelineárního šíření ultrazvuku ve tkáních Rozlišuje se harmonické zobrazení kontrastní a přirozené prostorové rozlišení = velikost detailu, spíše v axiální ose kontrast = u uz odpovídá rozdílu jasu lineární = vlastnost, která se v čase nemění, nebo se mění po přímce nelineární = libovolné funkci, není to přímka (linerální vlastnost)

Kontrastní harmonické zobrazení

Harmonické zobrazení Přirozené Kontrastní Vznik až ve tkáni Lépe zobrazuje hluboko uložené struktury

Pulzní harmonická inverze PI

Pulse inversion harmonic imaging tkáň odráží lineárně, bubliny ne, to zvýšuje kontrast - využívá zákl. + harm. , proto dobré rozlišení……. Dva zrcadlové pulsy s rozdílnou fází rychle za sebou. Sonda detekuje odražené pulsy a sečte je. Pro normální tkáň je tak signál = 0. Mikrobubliny však odráží asymetricky, nelineárně. Harmonická složka Nízký MI <0,2 detekce uz vln (tj. ech ~ signálů) v celém rozsahu frekvencí, včetně základních i harmonických

Power modulation PM

Power modulation (PM) Alternativou ke změně fáze UZ vlnění je změna jeho amplitudy V subtrahovaném spektru je pak zachycena nelineární složka základní frekvence (vyslané uz vlny) Signál pozadí pak není potlačen zcela, nicméně je nízký oproti harmonickému Využívá se pro hlouběji uložená ložiska, případně při vyšetřování cirhotických jater apod. Nevýhodou je poněkud nižší rozlišení oproti PI M.Bruce, M.Averkiou, J.Powers: Ultrasound contrast in general imaging research. 2007 Koninklijke Philips Electronics N.V. 4522 962 11481/795 * MAY 2007.

Power modulated pulse inversion PMPI

Power modulated pulse inversion (PMPI) Kombinace obou předchozích metod někdy nazývána Contrast pulse sequence (CPS) Během pulsů se zde mění jak amplituda tak fáze, rovněž pak dochází k subtrakci signálu Výhodou je, že druhá harmonická echa jsou relativně zachována (v souvislosti s PI) PMPI detekuje nelineární signál jak základní, tak druhé harmonické frekvence lepší rozlišení i průnik do hloubky zákl + harmonické frekvence (více harmonických, včetně těch mezi… J. Powers1, T. R. Porter2, S.Wilson3, M. Averkiou1, D. Skyba1 and M. Bruce1: Ultrasound contrast imaging research. MEDICA MUNDI 44/2 November 2000

Q-LAB

Děkuji za pozornost

MI a fáze vyšetření Arteriální fáze - začíná ~8-15 s po aplikaci; MI (orientace), pak MI Porto-venózní fáze - 10-25 s MI Pozdní fáze - 1-5 min. Úprava MI dle zobrazení. MI 0,11 - zobrazení okolních oblastí MI 0,07 - centrace na lézi

Nastavení Sondy C5-1 R1= PMPI RS= PM R2 = PI L9-3 = PM L12-5 = PM RS – PI L9-3 = PM L12-5 = PM

Kontrastní látky pro UZ zobrazování Klinické využití dopplerovské zobrazování pomalý tok, malé cévy perfůze - ložiskové léze parenchym.orgánů funkční zobrazování křivky průtoků tkáněmi (obdoba NM) terapie fibrinolýza, chemoterapie

web site: http://www. smirg web site: http://www.smirg.org/lectures/nonlinear_contrast-enhanced_ultrasound_imaging.php, date: 17.1.2013.

web site: http://www. smirg web site: http://www.smirg.org/lectures/nonlinear_contrast-enhanced_ultrasound_imaging.php, date: 17.1.2013.

Arteriální fáze - začíná ~8-15 s po aplikaci; MI (orientace), pak MI Porto-venózní fáze - 10-25 s MI Pozdní fáze - 1-5 min. Úprava MI dle zobrazení. MI 0,11 - zobrazení okolních oblastí MI 0,07 - centrace na lézi

ODS – Output Display Standard V souvislosti s potenciálními riziky přenosu energie ultrazvuku do tkáně vznikl systém, jehož součástí je zobrazení mechanického a tepelného indexu na obrazovce. Tak je lékař neustále informován o expozici pacienta, přičemž je tímto způsobem přenesena případná zodpovědnost na lékaře. V červeném kroužku jsou zobrazeny oba indexy.

NETEPELNÉ ÚČINKY - KAVITACE Netepelné neboli kavitační účinky se obvykle dělí na mechanické a chemické. Mechanické účinky jsou jevy vázané na střídavý charakter ultrazvukového pole, za současného vzniku kavitačních jevů. Jsou důsledkem především rázových vln, které vznikají v bezprostřední blízkosti kolabujících bublin, resp. střiků kapaliny v kolabujících bublinách , které se nachází v bezprostřední blízkosti fázových rozhraní. .... kavitaci si můžeme přiblížit, představíme-li si radiálně pulsující mikrobublinu velikosti řádově několik mikrometrů, při její implozi dojde k výtrysku kapaliny, který má rychlost až 100 m.s-1, v okolí tohoto výtrysku dochází k tlakovým změnám majících hodnotu až 100-ky atm a vzniku teploty několika tisíc stupňů Kelvina. Vše ovšem ve velmi malém prostoru.   Chemické účinky lze sledovat například při reakci v chemicky čisté vodě, při které se molekula vody homolyticky dělí na dva základní nestabilní produkty, které se dále mohou rekombinovat za vzniku tzv. primárních produktů sonolýzy vody, jimiž jsou volných radikálů peroxidu vodíku a vodíku. Sonochemické reakce za přítomnosti rozpuštěného dusíku vedou ke vzniku kyseliny dusité a dusičnanů, což se projevuje snížením pH prostředí. ve kterém chemické reakce probíhají. Při působení ultrazvuku na aminokyseliny a peptidy jsou nejcitlivější aminokyseliny s aromatickým jádrem, nebo heterocykly (např. tryptofan, fenylalanin).