7. In-vivo metingen bij de mens
INLEIDING
= formules moet je niet kennen, alles in grootteordes moet je wel weten
Apparatuur om in-vivo te meten bij een mens
- Modaliteit voor ultra-sound: kan je bewegen
- Meeste toestellen lijken erg op elkaar langs de buitenkant, maar langs de binnenkant
hebben deze een volledig andere werking
Beelden uit de scanners
ð Je gaat van een meting naar een beeld
ð Je gaat van een aantal beelden een afgeleid beeld maken (informatie uit al die beelden
samenvoegen tot één groot beeld)
= uit deze beelden wil je zo veel mogelijk informatie halen
meting à beeld à afgeleid beeld
Functies van in-vivo beeldvormingen
• Opvolgen van hoe therapieën verlopen
• Echo’s maken bij zwangere vrouwen (men probeert het aantal echo’s te beperken om
geen onnodige metingen te doen à +- 3 om eventuele (congenitale) aandoeningen op te
sporen)
• Biomedische processen die zich op kleine schaal afspelen in beeld brengen
• Bij bepaalde taken worden verschillende gebieden in de hersenen geactiveerd (dit kan
men met in-vivo metingen in beeld brengen)
• …
,7.1 ULTRASONE BEELDVORMING (US)
Werking
- Ultrasound = geluidsgolven
- Altijd een interactie tussen “een medium” en “het lichaam”
- Geluid kan zich enkel voortplanten in een bepaald medium (bijvoorbeeld lucht, weefsel, …)
= geluid kan je niet horen in de ruimte à daar is geen medium
- Als de golf zich voortplant krijg je plekken met een verhoogde druk (een samendrukking)
en andere plekken met een uitzetting
plekken van “compression”
en “rarefraction”
verplaatsen zich omdat de
gold wijzigt in de tijd
Beschrijven van een golf
- Periode (T) = de tijd van een volledige oscillatie cyclus (na die cyclus herhaalt het patroon
zich)
- Golflengte (λ) = de afstand tussen de 2 opeenvolgende golftoppen
- Frequentie (f) = aantal keren dat een golf oscilleert doorheen 1 cyclus per seconde
(uitgedrukt in Hz)
- Geluidssnelheid (v )= afstand afgelegd door de gold per eenheid van tijd
𝟏
𝑻=
𝒇
𝛌
𝒗=
𝑻
𝒗= 𝛌∗𝐟
- Golven kunnen worden beschreven met een sinus of een cosinus (of allebei)
- Faseverschil (in radialen): tussen 2 identieke golven een verschil in fase
Golven hebben een gelijke amplitude en gelijke golflengte
=> de ene golf komt later dan de andere
= faseverschil
,Enkele begrippen
a) Interferentie = e\ect van meerdere golven die samenvallen in ruimte en tijd
b) Superpositiebeginsel = de waarde van de amplitude op elk tijdstip en elke plaats is de
som van de waarden van de amplitudes van de afzonderlijke golven
A. Constructieve interferentie
= 2 verschillende golven zullen elkaar versterken (je mag alle amplitudes optellen)
= som van golven is sterker dan de afzonderlijke golven
B. Destructieve interferentie (bijvoorbeeld: noise cancelling headphones)
= 2 verschillende golven zullen elkaar tegenwerken
= som van golven is zwakker dan de afzonderlijke golven
A. Hallo B.
c) Geluidssnelheid is afhankelijk van
a. Het voortplantingsmedium
b. De densiteit (ρ) van het medium
ð In weefsel (in de 1000 m/s) en bot (3476 m/s) is de geluidssnelheid van een golf
hoger dan in lucht (330 m/s)
d) Infrasoon geluid: frequentie van het geluid < 20 Hz
e) Hoorbaar bereik van de mens: 20 Hz – 20 kHz
f) Untrasoon geluid: frequentie van het geluid > 20 Hz
g) Medisch ultrasoon geluid: 2 MHz – 10 MHz
à Bij gespecialiseerdere toepassingen (zoals werken met proefdieren) gaat men voor nog
hogere frequenties
Druk en intensiteit
- Druk amplitude (P) à uitgedrukt in Pascal (N/m2)
piek van de maximale/minimale waarde van de druk – de gemiddelde druk in het medium bij
afwezigheid van een geluidsgolf (= verandering in druk die je induceert door de geluidsgolf)
- Akoestische intensiteit (I) à uitgedrukt in mW/cm2
Gemiddelde energie per tijdseenheid per oppervlakte-eenheid (loodrechts op de voortplanting)
- Relatie tussen intensiteit en druk: I ∝ P^2 (“is evenredig met”)
, De decibel (dB) schaal
- Intensiteitsbereik menselijk oor: 10-12 tot 1 W/m2
= heel groot bereik en moeilijk om mee te werken
= invoeren van een relatieve intensiteit t.o.v. een referentie intensiteit
𝑰
- Relatieve intensiteit (dB) = 𝟏𝟎. log𝟏𝟎 -𝑰 .
𝟎
= met 𝐼$ de intensiteit van een gekozen referentieniveau (bij medische beeldvorming is dit vaak
de intensiteit van de opgevangen echo)
= logaritmische schaal (het is dus heel snel TE LUID)
7.1.2 INTERACTIES TUSSEN ULTRASONE GOLVEN EN MATERIE
= afhankelijk van de akoestische eigenschappen van het materiaal
• Akoestische impedantie (Z): materiaaleigenschap die aangeeft hoeveel weerstand een
geluidsgolf ondervindt als deze zich door het medium voortplant
o Weerstand in lucht = laag
o Weerstand in weefsel = hoger
Z = ρc:
a) ρ: dichtheid in kg/m3
b) c: geluidssnelheid in m/s
à Uitgedrukt in Rayl = 1 kg/(m^2s)
Reflectie: loodrechte inval
Inkomende golf = aan de overgang van weefsel door het verschil in
akoestische impedantie (Z)
= deel van de golf zal reflecteren (dat meet je op met een echo)
Reflectie
(echo)
Hoeveel van de inkomende golf wordt gereflecteerd/teruggezonden?
- Reflectiecoë\iciënt: fractie van de geluidsintensiteit van een loodrechte golf dat gereflecteerd wordt
%" & '& )
o Intensiteit reflectiecoë\iciënt: 𝑅% = %#
= -&$ (&% .
$ %
= wat wordt gereflecteerd
o Intensiteit transmissiecoë\iciënt: 𝑇% = 1 − 𝑅%
= wat wordt doorgezonden
- Bij de overgang van lucht naar weefsel: bijna 100% van de invallende intensiteit wordt
gereflecteerd: voor lucht is de akoestische impendantie (Z1) verwaarloosbaar
= R1 is ongeveer gelijk aan 1
= T1 is ongeveer gelijk aan 0
INLEIDING
= formules moet je niet kennen, alles in grootteordes moet je wel weten
Apparatuur om in-vivo te meten bij een mens
- Modaliteit voor ultra-sound: kan je bewegen
- Meeste toestellen lijken erg op elkaar langs de buitenkant, maar langs de binnenkant
hebben deze een volledig andere werking
Beelden uit de scanners
ð Je gaat van een meting naar een beeld
ð Je gaat van een aantal beelden een afgeleid beeld maken (informatie uit al die beelden
samenvoegen tot één groot beeld)
= uit deze beelden wil je zo veel mogelijk informatie halen
meting à beeld à afgeleid beeld
Functies van in-vivo beeldvormingen
• Opvolgen van hoe therapieën verlopen
• Echo’s maken bij zwangere vrouwen (men probeert het aantal echo’s te beperken om
geen onnodige metingen te doen à +- 3 om eventuele (congenitale) aandoeningen op te
sporen)
• Biomedische processen die zich op kleine schaal afspelen in beeld brengen
• Bij bepaalde taken worden verschillende gebieden in de hersenen geactiveerd (dit kan
men met in-vivo metingen in beeld brengen)
• …
,7.1 ULTRASONE BEELDVORMING (US)
Werking
- Ultrasound = geluidsgolven
- Altijd een interactie tussen “een medium” en “het lichaam”
- Geluid kan zich enkel voortplanten in een bepaald medium (bijvoorbeeld lucht, weefsel, …)
= geluid kan je niet horen in de ruimte à daar is geen medium
- Als de golf zich voortplant krijg je plekken met een verhoogde druk (een samendrukking)
en andere plekken met een uitzetting
plekken van “compression”
en “rarefraction”
verplaatsen zich omdat de
gold wijzigt in de tijd
Beschrijven van een golf
- Periode (T) = de tijd van een volledige oscillatie cyclus (na die cyclus herhaalt het patroon
zich)
- Golflengte (λ) = de afstand tussen de 2 opeenvolgende golftoppen
- Frequentie (f) = aantal keren dat een golf oscilleert doorheen 1 cyclus per seconde
(uitgedrukt in Hz)
- Geluidssnelheid (v )= afstand afgelegd door de gold per eenheid van tijd
𝟏
𝑻=
𝒇
𝛌
𝒗=
𝑻
𝒗= 𝛌∗𝐟
- Golven kunnen worden beschreven met een sinus of een cosinus (of allebei)
- Faseverschil (in radialen): tussen 2 identieke golven een verschil in fase
Golven hebben een gelijke amplitude en gelijke golflengte
=> de ene golf komt later dan de andere
= faseverschil
,Enkele begrippen
a) Interferentie = e\ect van meerdere golven die samenvallen in ruimte en tijd
b) Superpositiebeginsel = de waarde van de amplitude op elk tijdstip en elke plaats is de
som van de waarden van de amplitudes van de afzonderlijke golven
A. Constructieve interferentie
= 2 verschillende golven zullen elkaar versterken (je mag alle amplitudes optellen)
= som van golven is sterker dan de afzonderlijke golven
B. Destructieve interferentie (bijvoorbeeld: noise cancelling headphones)
= 2 verschillende golven zullen elkaar tegenwerken
= som van golven is zwakker dan de afzonderlijke golven
A. Hallo B.
c) Geluidssnelheid is afhankelijk van
a. Het voortplantingsmedium
b. De densiteit (ρ) van het medium
ð In weefsel (in de 1000 m/s) en bot (3476 m/s) is de geluidssnelheid van een golf
hoger dan in lucht (330 m/s)
d) Infrasoon geluid: frequentie van het geluid < 20 Hz
e) Hoorbaar bereik van de mens: 20 Hz – 20 kHz
f) Untrasoon geluid: frequentie van het geluid > 20 Hz
g) Medisch ultrasoon geluid: 2 MHz – 10 MHz
à Bij gespecialiseerdere toepassingen (zoals werken met proefdieren) gaat men voor nog
hogere frequenties
Druk en intensiteit
- Druk amplitude (P) à uitgedrukt in Pascal (N/m2)
piek van de maximale/minimale waarde van de druk – de gemiddelde druk in het medium bij
afwezigheid van een geluidsgolf (= verandering in druk die je induceert door de geluidsgolf)
- Akoestische intensiteit (I) à uitgedrukt in mW/cm2
Gemiddelde energie per tijdseenheid per oppervlakte-eenheid (loodrechts op de voortplanting)
- Relatie tussen intensiteit en druk: I ∝ P^2 (“is evenredig met”)
, De decibel (dB) schaal
- Intensiteitsbereik menselijk oor: 10-12 tot 1 W/m2
= heel groot bereik en moeilijk om mee te werken
= invoeren van een relatieve intensiteit t.o.v. een referentie intensiteit
𝑰
- Relatieve intensiteit (dB) = 𝟏𝟎. log𝟏𝟎 -𝑰 .
𝟎
= met 𝐼$ de intensiteit van een gekozen referentieniveau (bij medische beeldvorming is dit vaak
de intensiteit van de opgevangen echo)
= logaritmische schaal (het is dus heel snel TE LUID)
7.1.2 INTERACTIES TUSSEN ULTRASONE GOLVEN EN MATERIE
= afhankelijk van de akoestische eigenschappen van het materiaal
• Akoestische impedantie (Z): materiaaleigenschap die aangeeft hoeveel weerstand een
geluidsgolf ondervindt als deze zich door het medium voortplant
o Weerstand in lucht = laag
o Weerstand in weefsel = hoger
Z = ρc:
a) ρ: dichtheid in kg/m3
b) c: geluidssnelheid in m/s
à Uitgedrukt in Rayl = 1 kg/(m^2s)
Reflectie: loodrechte inval
Inkomende golf = aan de overgang van weefsel door het verschil in
akoestische impedantie (Z)
= deel van de golf zal reflecteren (dat meet je op met een echo)
Reflectie
(echo)
Hoeveel van de inkomende golf wordt gereflecteerd/teruggezonden?
- Reflectiecoë\iciënt: fractie van de geluidsintensiteit van een loodrechte golf dat gereflecteerd wordt
%" & '& )
o Intensiteit reflectiecoë\iciënt: 𝑅% = %#
= -&$ (&% .
$ %
= wat wordt gereflecteerd
o Intensiteit transmissiecoë\iciënt: 𝑇% = 1 − 𝑅%
= wat wordt doorgezonden
- Bij de overgang van lucht naar weefsel: bijna 100% van de invallende intensiteit wordt
gereflecteerd: voor lucht is de akoestische impendantie (Z1) verwaarloosbaar
= R1 is ongeveer gelijk aan 1
= T1 is ongeveer gelijk aan 0
