Skapande av ultraljudsbilden
Ultraljudssändaren genererar ljudvågor i korta pulser. Mellan dessa pulser analyserar maskinen de ljudvågor som reflekteras. Det innebär att maskinen lyssnar på det reflekterade ljudet omedelbart efter att den skickat ut ljudvågor (Figur 1). För att skapa en tillförlitlig bild av vävnaden så måste följande hinder övervinnas:
- Maskinen måste veta vilka ljudvågor som reflekteras och varifrån de reflekteras. Eftersom ljudvågorna skickas ut i pulser och hastigheten i vävnaden är konstant (1540 m/s) så kan maskinen beräkna var ljudvågorna reflekterats. Detta görs genom att analysera tiden det tar för ljudet att återvända till sändaren och därmed beräkna avståndet till strukturen som reflekterat vågen. Strukturer som är belägna nära sändaren kommer reflektera ljudvågorna tidigt och därmed blir tidsintervallet kort. Strukturer som är belägna långt ifrån sändaren kommer reflektera ljudvågorna senare och det dröjer längre tid innan de når sändaren.
- Ultraljudsvågor som reflekteras från en och samma struktur kan nå de olika kristallerna vid olika tidpunkter. För att komma till rätta med detta finns en inbyggd funktion, dynamic focusing, som beräknar vilka ultraljudsvågor som härstammar från samma reflektionspunkt.
- Reflekterade ultraljudsvågor har förändrade egenskaper (exempelvis amplitud). Detta är inget problem utan istället något man utnyttjar för att ge de reflekterade ljudvågorna, baserat på deras amplitud, olika nyanser på ultraljudsbilden. Maskinen är nämligen konstruerad så att bilden ritas med olika nyanser av en färg (oftast grå). Detta är möjligt eftersom kristallernas vibrationer, och därmed strömmen de skickar tillbaka till maskinen, varierar med det reflekterade ljudets amplitud. Ju starkare reflektioner desto högre amplitud och desto vitare färg på ultraljudsbilden.
- Strukturer som rör sig (förmak, kammare, blodflöde) kommer förändra ultraljudsvågornas egenskaper (exempelvis frekvensen). Detta är egentligen inte heller ett bekymmer och snarast något som utnyttjas för att beräkna rörelsernas riktning och hastighet.
Även om alla strukturer i ett medium kan reflektera ultraljudsvågor, så är det primärt i gränsytan mellan två medier som ljudvågor reflekteras. Det betyder att i övergången från blod till myokardium så kommer många ljudvågor reflekteras. Det gör att myokardiets gränsyta mot blodet kommer avbildas tydligt på ultraljudsbilden. Inuti myokardiet kommer också ljudvågor reflekteras men i lägre utsträckning och därför lyser myokardiet inte lika tydligt på ultraljudsbilden. Se Figur 2.
Ultraljudsvågornas riktning och fokus
Ultraljudvågornas riktning och fokus kan justeras genom att variera kristallernas aktiveringssekvens (Figur 3). Om alla kristaller aktiveras samtidigt så genereras en ljudvåg med riktning rakt framåt (Figur 3A). Om aktiveringen börjar på den ena sidan, exempelvis från höger till vänster, så kommer vågfronten riktas åt vänster (Figur 3B). Om aktiveringen går från vänster till höger kommer vågfronten riktas åt höger. Om aktiveringen börjar i kanterna och går mot mitten så kommer ultraljudsstrålen fokuseras (Figur 3C).
Moderna ultraljudsmaskiner har avancerade program för aktivering av de piezoelektriska kristallerna. Eftersom varje sändare är utrustad med tusentals kristaller så kan man med sofistikerade aktiveringssekvenser erhålla tvådimensionella och tredimensionella bilder av hjärtat.
Reflektion av ultraljudsvågor
Ultraljudsvågorna reflekteras primärt i gränsskiktet mellan medier (vävnader, vätskor, hålrum) med olika densitet. Ju större skillnad i densitet, desto fler ultraljudsvågor kommer reflekteras. Exempelvis föreligger mycket hög densitetsskillnad mellan hud och skelett, varför merparten av ultraljudsvågorna reflekteras när de träffar skelett. Detta förklarar varför man oftast inte ser strukturer bakom skelettdelar. Likaså är det hög skillnad i densitet mellan de luftfyllda lungorna och perikardiet, vilket gör att ultraljudsvågor som färdas genom lungorna kommer att reflekteras i hög grad på perikardytan (som därför lyser starkt på ultraljudsbilden). Ju större andel av ljudvågorna som reflekteras, desto färre ljudvågor återstår för att studera resten av vävnaden (djupare strukturer). Därför är det viktigt att placera och rikta ultraljudssändaren så att ljudvågorna passerar så lite skelett och luft som möjligt.
När ultraljud färdas genom mjuka vävnader och vätskefyllda hålrum så reflekteras relativt liten andel av ljudvågorna, vilket förklaras av att densitetsskillnaden är liten. Ungefär 0.1% av ultraljudsvågorna reflekteras i varje gränsskikt i mjuka vävnader.
För att en ultraljudsstråle skall reflekteras med oförändrad vinkel (jämfört med infallsvinkeln) så måste objektet som reflekterar ultraljudsstrålen (reflektorn) vara slät och vinkelrät mot ljudvågornas riktning. Som bekant är kroppens strukturer och vävnadernas ytor mer eller mindre oregelbundna, vilket gör att ljudvågorna reflekteras med något förändrad vinkel. Vinkelförändringen är som regel liten och merparten av ultraljudsstrålarna återvänder till sändaren. Denna typ av reflektion kallas spegelreflektion. De ultraljudsvågor som inte reflekteras vid gränsskiktet kommer fortsätta genom vävnaden med något förändrad vinkel, vilket kallas refraktion.
Även om merparten av de ultraljudsvågor som reflekteras gör det i gränsskikt mellan vävnader/vätskor, så kommer en del även reflekteras under passagen genom homogen vävnad, t ex myokardium; annars hade myokardiet inte varit synligt på ultraljudsbilden. Reflektioner inuti vävnad blir dock mer spridd. Ju mer ojämn vävnadsstrukturen är desto mer spridda blir reflektionerna.
Erytrocyter är särskilt bra på att sprida ultraljudsvågorna. De sprider nämligen vågorna åt alla håll. Endast en minoritet reflektionerna återvänder till ultraljudssändaren.
Ultraljudsvågorna försvagas allteftersom de färdas genom vävnaden. Försvagningen beror på att att en del strålar reflekteras och en del av tryckvågens energi absorberas av vävnaden och omvandlas till värme.
Upplösning och penetrans
Bildens upplösning är mycket viktig och en hög upplösning är önskvärd eftersom det ger ökad detaljrikedom. Låg upplösning gör det svårt att särskilja mindre och närliggande strukturer. I dessa sammanhang kan upplösning definieras som möjligheten att särskilja två närliggande objekt från varandra. Upplösningen beror huvudsakligen på våglängden på ultraljudsvågorna. Erinra att våglängden är omvänt proportionerlig mot frekvensen enligt formeln:
λ = c / f
Det innebär att hög frekvens har kort våglängd och vice versa. Ju kortare våglängden är desto mindre strukturer kommer kunna reflektera ljudvågen (och därmed bli synliga). Med andra ord: ju högre frekvens desto högre upplösning.
Ultraljudsvågor med hög frekvens har kort våglängd vilket ger hög upplösning. Hög frekvens ger dock sämre bild ju längre avståndet är från sändaren.
Ultraljudsvågor med låg frekvens har lång våglängd vilket ger låg upplösning. Låg frekvens kan ge bättre bild om avståndet är långt mellan sändaren och objektet som visualiseras.
Den maximala upplösningen är ungefär hälften så stor som våglängden. Det innebär att vid en frekvens på 2.5 MHz så är upplösningen 0.3 mm. Det kan vara lockande att höja frekvensen för att förbättra upplösningen men detta sker på bekostnad av penetransen eftersom ljudvågor med hög frekvens penetrerar vävnaden sämre. Om man behöver skönja strukturer på djupet kan en låg frekvens vara bättre eftersom penetransen är bättre, även om upplösningen blir lägre.
Den axiala upplösningen är möjligheten att särskilja två punkter som ligger parallellt med ultraljudsvågorna. Denna upplösningen är konstant längs hela ultraljudsstrålen. Den är avhängig av frekvensen på ultraljudet. Om frekvensen är hög så är våglängden kort och då kan mindre strukturer särskiljas från varandra.
Den laterala upplösningen beskriver istället möjligheten att särskilja två punkter som ligger vinkelrätt mot ultraljudsvågorna. Denna upplösningen minskar med avståndet från ultraljudssändaren eftersom ultraljudsvågorna divergerar (sprids) allteftersom avståndet ökar.
Temporal upplösning (diskuteras även nedan, se frame rate) är möjligheten att beskriva olika strukturers rörelse över tid. Nästan all ekokardiografi (och ultraljudsdiagnostik i övrigt) innebär kontinuerlig analys av ultraljudsvågor för att skapa en film. Denna film skapas utifrån enskilda ultraljudsbilder som visas efter varandra. Tiden det tar att bygga upp en ultraljudsbild är avgörande för upplösningen. Ju fler bilder som kan byggas upp och presenteras per tidsenhet desto högre är den temporala upplösningen.
Fundamental och harmonic imaging
Ultraljudssändaren skickar ut ljudvågor med en specifik frekvens. Denna frekvensen kallas grundton. När ljudvågorna passerar kroppens vävnader så deformeras ljudet och då uppstår övertoner.
Ljudvågorna deformeras när de passerar vävnader. När högtrycksdelen av ljudvågen (topparna på sinuskurvan) når vävnad med högre densitet så kommer vävnaden komprimeras och då ökar ljudvågens hastighet. När lågtrycksdelen på ljudvågen (dalarna på sinuskurvan) passerar genom vävnaden så kommer det omvända att ske: vävnaden expanderar, får lägre densitet och ljudvågens hastighet minskar. Således förvrängs ljudvågen och det bildas ljudvågor vars frekvens är multiplar av grundtonen (den ursprungliga ljudvågen). Dessa ljudvågor kallas övertoner (eng. harmonics) och faktum är att det bildas så mycket övertoner att det är möjligt att skapa en vävnadsbild enbart med dessa. I praktiken innebär detta att ultraljudssändaren kan skicka ut ljudvågor med frekvens 3 MHz och då uppstår ljudvågor med frekvens 6 MHz (1:a övertonen, eng. second harmonic), 9 MHz (2:a övertonen, eng. third harmonic), 12 MHz (3:a övertonen, eng. fourth harmonic) osv. Dessa övertoner uppstår i vävnaden och reflekteras också tillbaka till sändaren. Det visar sig att ultraljudsbildens upplösning blir bättre genom att programmera maskinen så att den lyssnar på en överton, vilket nästan alltid är första övertonen (second harmonics). Ultraljudsbilden skapas alltså genom att lyssna på en överton och filtrera bort alla andra frekvenser (både grundtonen och övriga övertoner). Denna metod kallas harmonic imaging.
Harmonic imaging är standard vid ultraljudsdiagnostik. Metoden gör det möjligt att skicka ut ljudvågor med låg frekvens (vilket möjliggör djupare penetration av vävnaderna) men lyssna till ljudvågor med hög frekvens (vilket ger högre upplösning). Harmonic imaging minskar dessutom artefakter i ultraljudsbilden. Nackdelen med harmonic imaging är att texturer går förlorade. Detta är inget stort problem men det kan få hjärtklaffar att se tjockare ut än de egentligen är.
Motsatsen till harmonic imaging är fundamental imaging, som innebär att maskinen lyssnar efter ljudvågor med samma frekvens som den själv genererat. Exempel: Om ultraljudssändaren skickat ut ljudvågor med frekvens 3 MHz så lyssnar den bara efter reflekterade ljudvågor som har 3 MHz. Detta ger sämre upplösning och sämre penetrans i vävnaden. Det kan dock vara användbart i vissa situationer, vilket omtalas i senare kapitel.
