Ekkokardiografi i 2D
To-dimensjonal (2D) ultralyd, ofte referert til som B-mode (Brightness mode), er grunnpilaren og den mest brukte modaliteten innen klinisk ekkokardiografi. Metoden gir en sanntids anatomisk fremstilling av hjertet ved å presentere snittbilder definert av bredde (lateral/azimuthal akse) og dybde (aksial akse). Standard ultralydtransduser for transtorakal 2D-ekkokardiografi er den fasede array-transduseren (phased array). Denne proben har et lite fotavtrykk (footprint), noe som er avgjørende for å kunne avbilde hjertet gjennom de trange mellomrommene mellom ribbena (interkostalrommene) og unngå skygge fra benstruktur (figur 1).
Bildesektoren skapes ved hjelp av elektronisk styring av ultralydstrålen, basert på sekvensiell aktivering av de piezoelektriske krystallene i proben. I stedet for å bevege proben mekanisk, aktiveres krystallene med ørsmå tidsforsinkelser (faseforskyvning). Dette fenomenet, som utnytter konstruktiv og destruktiv interferens (Huygens’ prinsipp), gjør det mulig å styre strålen i en vifteform (figur 2). Aktiveringssekvensen sveiper raskt fra side til side (f.eks. fra høyre til venstre) for å bygge opp bildet linje for linje.
For å skape en standard bildesektor på 90° bredde og 15 cm dybde, kreves det typisk ca. 200 ultralydlinjer (scan lines). Prosessen med å sende ut pulser og motta ekko for disse linjene tar omtrent 40 millisekunder (ms). Dette legger fundamentale begrensninger på hvor raskt bildet kan oppdateres. Som illustrert tidligere (Aksial og lateral oppløsning av ultralydbildet), divergerer linjene med dybden, noe som betyr at linjetettheten – og dermed den laterale oppløsningen – reduseres jo dypere i vevet man måler.
Den fasede array-transduseren og dens sektorformede ultralydfelt er optimalisert for kardiologi nettopp fordi ultralydfeltet kan passere gjennom et lite akustisk vindu mellom ribbeina og deretter spre seg utover for å dekke hele venstre ventrikkel og atriene. Fokuset (det smaleste punktet på strålen) kan justeres dynamisk ved å variere tidsforsinkelsene i aktiveringen av krystallene. Det er viktig å merke seg at mens aksial oppløsning (langs strålen) er konstant og bestemt av pulslengden, vil den laterale oppløsningen (på tvers av strålen) avta med økende avstand fra transduseren på grunn av stråledivergens (figur 3).
Bildefrekvens (Frame Rate) og Temporal Oppløsning
Det todimensjonale bildet må oppdateres raskt og kontinuerlig for å skape en diagnostisk nyttig film av hjertets syklus. Hastigheten bildene oppdateres med, kalles frame rate (bildefrekvens) og måles i «frames per second» (fps) eller Hertz (Hz). En høy bildefrekvens gir høy temporal oppløsning (tidsoppløsning), noe som er avgjørende for nøyaktig vurdering av strukturer som beveger seg raskt, for eksempel hjerteklaffene eller myokardveggen under stress-ekkokardiografi.
I klinisk praksis er det en konstant avveining mellom romlig oppløsning (bildekvalitet) og temporal oppløsning (flyt). Bildefrekvensen (FR) bestemmes fysisk av lydhastigheten i vev ($c \approx 1540$ m/s), bildedybden ($D$) og antall linjer per bilde ($N$):
$FR = \frac{c}{2 \cdot D \cdot N}$
Dette betyr i praksis:
- Dybde: Hvis du øker bildedybden, tar det lengre tid for ekkoene å returnere, og bildefrekvensen faller.
- Sektorbredde: En bredere sektor krever flere ultralydlinjer for å opprettholde linjetettheten, noe som reduserer bildefrekvensen. Ved å redusere sektorbredden («narrow sector») kan man øke bildefrekvensen betydelig, noe som er nyttig for eksempel ved måling av diastolisk funksjon eller vevs-Doppler.
- Linjetetthet: Flere linjer gir bedre detaljer (lateral oppløsning), men lavere bildefrekvens.
For standard 2D-ekkokardiografi bør bildefrekvensen ligge over 40–60 fps for å unngå «hakking» og sikre at korte fysiologiske hendelser fanges opp. Ved avanserte teknikker som speckle tracking (strain-analyse) anbefales ofte bildefrekvenser mellom 50 og 80 fps for optimal sporing.
Ultralydbildet og Bildeoptimalisering
Ultralydbildet inneholder flere viktige parametere og informasjonskilder (figur 4). EKG-signalet vises typisk nederst på skjermen og er essensielt for å korrelere mekaniske hendelser med den elektriske syklusen (f.eks. definere ende-diastole ved QRS-komplekset). Selve transduseren er ikke synlig i bildet, men dens posisjon korresponderer med toppen av sektoren (apeks av viften).
Figur 4 viser en markør (her en blå sirkel) ved siden av sektoren; dette er sideindikatoren. Denne korresponderer med en fysisk markør på selve transduseren. Korrekt orientering er avgjørende for standardiserte snitt:
- I parasternal langakse peker markøren vanligvis mot pasientens høyre skulder.
- I apikal firekammer peker markøren mot pasientens venstre side (slik at venstre ventrikkel vises til høyre på skjermen).
Viktige justeringer (Knobology)
For å oppnå diagnostisk bildekvalitet, må operatøren beherske flere innstillinger utover dybde og sektorstørrelse:
- Gain (Forsterkning): Justerer lysstyrken på hele bildet ved å forsterke det mottatte signalet. For høy gain gir støy («snø»), mens for lav gain gjør at man mister vevsinformasjon.
- TGC (Time Gain Compensation): Lar operatøren justere gain selektivt på ulike dybder. Dette brukes for å kompensere for at ultralydsignalet dempes (attenueres) når det går dypere inn i vevet. Målet er en jevn gråtonefremstilling fra toppen til bunnen av bildet.
- Dynamic Range (Kompresjon): Bestemmer antall gråtoner som vises. Lav dynamic range gir høy kontrast (mer svart/hvitt), noe som kan være nyttig for å delineere endokardgrenser, mens høy dynamic range gir et mykere bilde med flere nyanser.
Harmonisk Avbildning (Tissue Harmonic Imaging – THI)
Moderne 2D-ekkokardiografi benytter nesten utelukkende Tissue Harmonic Imaging (THI) som standardoppsett. Tradisjonell ultralyd sender ut en puls med en grunnfrekvens ($f_0$) og lytter etter ekko på samme frekvens. THI utnytter det faktum at lydbølger genererer overtoner (harmoniske frekvenser, f.eks. $2 \cdot f_0$) når de forplanter seg gjennom vev.
Ved å filtrere bort grunnfrekvensen og kun bygge bildet basert på de harmoniske signalene, oppnår man betydelige fordeler:
- Redusert støy: Harmoniske signaler genereres primært i vevet og ikke i det nære feltet (hud/fett/ribben), noe som reduserer reverberasjonsartefakter.
- Bedre lateral oppløsning: Den harmoniske strålen er smalere enn grunnfrekvensstrålen.
THI er spesielt nyttig hos pasienter som er vanskelige å undersøke («poor acoustic windows»), for eksempel ved KOLS eller fedme.
Fokus på ultralydstrålene
Den høyeste laterale oppløsningen på ultralydbildet finnes der hvor bredden på ultralydstrålen er smalest; dette punktet kalles fokus. Utenfor fokussonen divergerer strålen, og oppløsningen faller. Det er mulig å justere fokusposisjonen (fokussone) opp eller ned i bildet uten å flytte transduseren, ved å endre forsinkelsene i krystallaktiveringen.
Mange maskiner tillater bruk av flere fokussoner samtidig. Dette gir god oppløsning over en større dybde, men har en kostnad: Maskinen må sende ut en separat puls for hver fokussone langs hver skanningslinje. Dette reduserer bildefrekvensen dramatisk. Derfor bør man vanligvis holde seg til én fokussone plassert i høyde med strukturen man er mest interessert i (f.eks. mitralklaffen).
Selv om todimensjonale ultralydbilder (f.eks. figur 4) gir inntrykk av at vi ser på et papirtynt snitt, har ultralydstrålen i virkeligheten en tykkelse i høyderetningen (elevasjonsplanet). Denne tykkelsen er typisk 2 til 10 mm (figur 5) og varierer med dybden. Denne dimensjonen kalles elevasjonsoppløsning.
Klinisk er dette viktig fordi det kan føre til partiell volum-effekt (slice thickness artifact). Strukturer som ligger foran eller bak det antatte snittet, men innenfor strålens tykkelse, vil bli projisert inn i 2D-bildet. Dette kan for eksempel skape kunstige ekko i væskefylte rom (som cyster eller blodkar) eller få tynne strukturer til å se tykkere ut enn de er. Moderne matrise-prober (3D-prober) har bedre kontroll på elevasjonsplanet, som gir tynnere snitt og mindre artefakter.