Generering av ultralydbildet
Ultralydtransduseren genererer korte pulser av ultralydbølger. Reflekterte ultralydbølger analyseres av maskinen i de korte pausene mellom pulsene. Maskinen analyserer («lytter til») reflekterte lydbølger umiddelbart etter at den har sendt ut lydbølger (figur 1).
For å skape et pålitelig sanntidsbilde av vevet må ultralydmaskinen overvinne følgende tekniske hindringer.
- Ultralydmaskinen må vite hvilke lydbølger som reflekteres, og hvor de reflekteres fra. Siden lydbølgene sendes ut i pulser og hastigheten i vevet er konstant (1540 m/s), kan maskinen beregne hvor lydbølgene ble reflektert (dvs. maskinen kan beregne refleksjonspunktet). Dette gjøres ved å analysere tiden det tar for lyden å returnere til transduseren, og dermed beregne avstanden til strukturen som reflekterte bølgen. Strukturer som befinner seg nær svingeren, vil reflektere lydbølgene tidlig, og dermed vil tidsintervallet være kort. Strukturer som befinner seg langt fra transduseren, vil reflektere lydbølgene senere, og det vil ta lengre tid før de når transduseren.
- Ultralydbølger som reflekteres fra samme struktur, kan nå de ulike krystallene på ulike tidspunkter. For å løse dette finnes det en innebygd funksjon, kalt dynamisk fokusering, som beregner hvilke ultralydbølger som kommer fra samme refleksjonspunkt.
- Reflekterte ultralydbølger har endrede egenskaper (f.eks. endret amplitude). Dette utnyttes til å gi de reflekterte lydbølgene, basert på amplituden, ulike nyanser på ultralydbildet. Vevet i ultralydbildet tegnes med varierende nyanser av én farge (vanligvis grå). Dette er mulig fordi vibrasjonene i de piezoelektriske krystallene, og dermed den elektriske strømmen de sender tilbake til maskinen, varierer med amplituden til den reflekterte lyden. Jo sterkere refleksjonene er, desto høyere er amplituden og desto hvitere blir fargen på vevet på ultralydbildet.
- Strukturer i bevegelse (myokard, blodstrøm) vil endre egenskapene til ultralydbølgene (f.eks. frekvens). Dette utnyttes faktisk til å beregne retning og hastighet på vevs- og væskebevegelser.
Alle strukturer i et medium kan reflektere ultralydbølger. De største refleksjonene oppstår imidlertid i grenseflatene mellom to medier. I overgangen fra blod til myokard vil derfor mange lydbølger reflekteres, og dette vil resultere i en tydelig avbildet grensesone mellom blod og myokard på ekkokardiogrammet. Ultralydbølger vil også reflekteres når bølgene beveger seg gjennom myokardiet, men i mindre grad, og myokardiet skinner derfor ikke like tydelig på ultralydbildet (figur 2).
Ultralydbølger reflekteres først og fremst i grenseflaten mellom medier (vev, væsker osv.) med ulik tetthet. Jo større tetthetsforskjellen er, desto mer reflekteres ultralydbølgene. Dette forklarer hvorfor vevsgrensene fremstår som lysere strukturer på ultralydbildet.
Retning og fokusering av ultralydbølger
Ultralydbølgenes retning og fokus kan justeres ved å variere rekkefølgen på aktiveringen av de piezoelektriske krystallene (figur 3). Ved å aktivere alle krystallene samtidig vil den resulterende lydbølgen bevege seg i en rett retning (figur 3A). Hvis aktiveringen starter på den ene siden, for eksempel fra høyre til venstre, vil bølgefronten rettes mot venstre (figur 3B). Hvis aktiveringen starter i endene og fortsetter mot midten, vil ultralydstrålen bli fokusert som illustrert i figur 3C.
Moderne ultralydapparater har avansert programvare som håndterer aktiveringen av tusenvis av piezoelektriske krystaller. Ved hjelp av sofistikert programvare og maskinvare er det mulig å ta todimensjonale (2D) og tredimensjonale (3D) ekkokardiogrammer med høy oppløsning.
Refleksjon av ultralydbølger
Som nevnt tidligere reflekteres ultralydbølger først og fremst i grenseflaten mellom medier (vev, væsker osv.) med ulik tetthet. Jo større tetthetsforskjellen er, desto mer reflekteres ultralydbølgene. For eksempel er tetthetsforskjellen mellom hud og bein svært stor, noe som forklarer hvorfor det meste av ultralydbølgene reflekteres når de treffer bein. Strukturer som befinner seg bak bein, kan derfor ikke visualiseres ved hjelp av ultralyd (siden svært få lydbølger går gjennom beinet). På samme måte forklarer forskjellen i tetthet mellom de luftfylte lungene og hjerteposen hvorfor mye av ultralyden reflekteres på hjerteposens overflate (som derfor skinner sterkt på ekkokardiogrammet).
Jo større andel av lydbølgene som reflekteres, desto færre lydbølger blir det igjen til å studere resten av vevet (dypere strukturer). Luftfylte rom (f. eks. lunger) og harde overflater (f.eks. bein) utgjør en spesiell utfordring. Det er derfor viktig å plassere transduseren og rette lydbølgene slik at kollisjon med bein og passasje gjennom lungevev minimeres.
Når ultralydbølger beveger seg gjennom bløtvev og væskefylte rom (f.eks. ventrikkelhulen, atriene, større kar), reflekteres en relativt liten andel av lydbølgene. Dette skyldes den lille forskjellen i tetthet i vevet eller væsken.
For at en ultralydbølge skal reflekteres i en uendret vinkel (sammenlignet med innfallsvinkelen), må objektet som reflekterer ultralydbølgen (dvs. reflektoren), ha en glatt overflate som står vinkelrett på lydbølgenes retning. Menneskelig vev består av mer eller mindre uregelmessige strukturer, noe som fører til at lydbølgene alltid reflekteres i en litt endret vinkel. Endringen i vinkelen er imidlertid vanligvis liten, og de fleste av de reflekterte lydbølgene treffer transduseren. Denne typen refleksjon kalles speilrefleksjon. Ultralydbølgene som ikke reflekteres ved grenseflaten mellom to medier, vil fortsette gjennom det andre mediet med litt endret vinkel, et fenomen som kalles refraksjon.
Selv om de fleste av de reflekterte lydbølgene reflekteres i grensesonen mellom to medier (vev/væsker), reflekteres også noen bølger under passasjen gjennom homogent vev, som for eksempel myokardiet. Ellers ville ikke myokardiet vært synlig på ekkokardiogrammet. Refleksjonene i vevet er imidlertid mer spredte. Jo mer uregelmessig vevsstrukturen er, desto mer spredte blir refleksjonene.
Erytrocytter er spesielt gode til å spre ultralydbølgene; de sprer bølgene i alle retninger. Dermed er det bare et mindretall av refleksjonene som kommer tilbake til ultralydsenderen.
Ultralydbølger dempes (svekkes) når de beveger seg gjennom kroppen. Dempingen skyldes refleksjon av lydbølger og omdanning av mekanisk energi til varme (som absorberes av vevet).
Oppløsning og penetrasjon av ultralydbølger
Høyoppløselige ultralydbilder er avgjørende for diagnostisk nøyaktighet. Bildeoppløsningen kan defineres som muligheten til å skille mellom tilstøtende objekter. For å studere små strukturer, spesielt bevegelige strukturer, kreves det høyoppløselige bilder. Jo lavere bildeoppløsningen er, desto vanskeligere er det å skille mellom mindre og nærliggende objekter.
Bildeoppløsningen avhenger hovedsakelig av bølgelengden til ultralydbølgene. Som tidligere omtalt (Ultralydfysikk) er bølgelengden omvendt proporsjonal med bølgefrekvensen i henhold til følgende formel:
λ = c / f
Dette innebærer at høyfrekvente bølger har korte bølgelengder og omvendt. Jo kortere bølgelengden er, desto mindre strukturer vil kunne reflektere lydbølgen og dermed bli synlige på ultralydbildet. Jo høyere frekvens, desto høyere oppløsning. Det kan derfor virke rimelig å øke frekvensen til ultralydmaskinens grense. Imidlertid avtar ultralydbølgenes gjennomtrengningsevne med økende frekvens, noe som betyr at høyfrekvente bølger har dårligere gjennomtrengningsevne. Visualisering av dypere objekter krever derfor bølger med lavere frekvens.
Ultralydbølger med lav frekvens har lang bølgelengde, noe som gir lavere oppløsning, men bedre (dvs. dypere) penetrasjon. Bildekvaliteten for objekter som befinner seg langt unna, kan dermed forbedres ved å bruke lavere frekvens; økningen i penetrasjon oppveier vanligvis tapet i oppløsning.
Maksimal oppløsning er omtrent halvparten av bølgelengden, f. eks. gir en frekvens på 2,5 MHz en oppløsning på 0,3 mm. Objekter som er mindre enn 0,3 mm, kan ikke skilles ut ved en frekvens på 2,5 MHz.
Aksial og lateral oppløsning
Den aksiale oppløsningen er evnen til å skille mellom to objekter som ligger parallelt med ultralydbølgen. Denne oppløsningen er konstant langs ultralydbølgen. Den aksiale oppløsningen er fundamentalt avhengig av lydbølgenes frekvens. Jo høyere frekvensen er, desto større er den aksiale oppløsningen.
Den laterale oppløsningen beskriver evnen til å skille mellom to objekter som er vinkelrett på ultralydbølgene. Denne oppløsningen avtar med avstanden fra transduseren fordi ultralydbølgene divergerer når avstanden øker.
Temporal oppløsning
Tidsmessigoppløsning (se også Bildefrekvens nedenfor) er evnen til å beskrive bevegelsen til objekter over tid. Ultralydavbildning generelt, og ekkokardiografi spesielt, krever kontinuerlig analyse av reflekterte ultralydbølger for å skape en 2D- eller 3D-film. Filmen lages basert på individuelle ultralydbilder som vises etter hverandre. For å kunne generere en film med høy tidsoppløsning er det avgjørende at de enkelte bildene produseres raskt. Tiden det tar å lage et bilde, avgjør den tidsmessige oppløsningen. Jo flere bilder som kan produseres og presenteres per tidsenhet, desto større er den tidsmessige oppløsningen.
Fundamental og harmonisk avbildning
Ultralydtransduseren genererer lydbølger med en bestemt frekvens. Denne frekvensen kalles grunntonen. Når lydbølgene passerer gjennom vevet, deformeres lydbølgene, noe som skaper overtoner.
Lydbølgene deformeres når de passerer gjennom vevet. Når høytrykksdelen av lydbølgen (det høyeste punktet på sinuskurven, se Ultralydfysikk) treffer vev med høyere tetthet, vil vevet komprimeres og lydbølgens hastighet økes. Når lavtrykksdelen av lydbølgen (det laveste punktet på sinuskurven) passerer gjennom vevet, vil det motsatte skje: vevet utvider seg, vevets tetthet avtar og lydbølgens hastighet avtar også.
Lydbølgen forvrenges altså når den passerer gjennom vevet. Denne forvrengningen fører til at det oppstår lydbølger med frekvenser som er multipler av grunntonen. Disse lydbølgene kalles overtoner. Ultralydtransduseren sender altså ut bølger med en frekvens på 3 MHz, og deretter oppstår det lydbølger med frekvensen 6 MHz (andre overtoner), 9 MHz (tredje overtoner), 12 MHz (fjerde overtoner) osv. Disse overtonene reflekteres også tilbake til senderen. Det er faktisk mulig å skape et ultralydbilde kun ved hjelp av reflekterte overtoner. Dette gir bilder med bedre oppløsning. Moderne ultralydapparater er derfor programmert til primært å analysere reflekterte overtoner (for det meste de første overtonene).
Ultralydbildet skapes ved å lytte til én harmonisk tone og filtrere bort alle andre frekvenser (både grunntonen og alle andre overtoner). Denne avbildningsmetoden kalles harmonisk avbildning.
Harmonisk avbildning er standard innen ultralyddiagnostikk og ekkokardiografi. Metoden gjør det mulig å sende ut lydbølger med lav frekvens (noe som gjør det mulig å trenge dypere inn i vevet), men lytte til lydbølger med høy frekvens (noe som gir høyere oppløsning). Harmonisk avbildning reduserer også artefakter i ultralydbildet. Ulempen med harmonisk avbildning er at noe tekstur går tapt. Dette er ikke et stort problem, men det kan føre til at hjerteklaffene ser tykkere ut enn de egentlig er.
Det motsatte av harmonisk avbildning er fundamental avbildning, som innebærer at maskinen lytter etter lydbølger med samme frekvens som den selv genererer. Hvis transduseren for eksempel sender ut lydbølger med en frekvens på 3 MHz, lytter den bare etter reflekterte lydbølger som har 3 MHz. Dette gir dårligere oppløsning og lavere penetrasjon. Det finnes imidlertid situasjoner der fundamental avbildning er nyttig.