Basisprincipes Echografie

Echografie is gebaseerd op weerkaatsing van geluidsgolven, op overgangen van dichtheid tussen verschillende weefsels. De echokop bevat piëzo-elektrische elementen, die stroom omzetten in hoogfrequente geluidsgolven en het weerkaatste deel daarvan weer omzet in elektrische impulsen. Deze akoestische drukgolven leiden tot alternerende akoestische verdichtingen en verdunning in de weefsels waar ze door heen gaan. Hoge-resolutie echografie (typisch 12-18 MHz) gaat uit van relatief constante voortgeleiding van geluidsgolven (1540m/s) en voldoende aantal daarvan dat weer terugkaatst.

De echosignalen zijn echter non-lineair, door verschillen in hoge en lage drukcomponenten van de akoestische golven waardoor er ook harmonische frequenties ontstaan (echosoftware maakt hiervan gebruik om het signaal te verbeteren). Voorts hebben weefsels verschillende echo-karakteristieken, waardoor deze geluidsgolven er op verschillende manieren in voortbewegen: weefsels met lagere dichtheid (bijvoorbeeld water) laten veel van deze ultrasone geluidsgolven door, verandering van weefseldichtheid kan leiden tot terugkaatsing (partieel of volledig), absorptie, ‘scattering’ en deflectie (zie illustratie hieronder). De latentie van de geluidsgolf die terug wordt gekaatst, geeft spatiële informatie (diepte) en de intensiteit van het echosignaal karakteriseert de weefseleigenschappen (dichtheid). Axiale resolutie (250-500 m) is afhankelijk van de gebruikte frequentie en laterale resolutie van de breedte van de echobundel, die aangepast kunnen worden met focus instellingen op de echo-apparatuur. Temporele resolutie beschrijft het vermogen van echogeluid om snelle bewegingen in weefsel te detecteren (20-100Hz).

Echo-apparatuur beschikt naast algemene versterking van het signaal, ook over verschillende filters om harmonische frequenties te selecteren en corrigeren voor verschillen in signaalsterkte van oppervlakkige en diepere structuren (time-gain compensation). Het analoge echo-signaal wordt omgezet in een digitaal signaal en uiteindelijk weergegeven als een grijswaarden plaatje (0-255). Daarnaast worden technieken als ‘averaging, ‘smoothing’ en compressie van het signaal gebruikt om de resolutie van het echobeeld te verbeteren. Deze algoritmes zijn non-lineair, enkel bedoeld om herkenning van weefsel te faciliteren ipv accuraat het bronsignaal weer te geven en verschillen helaas tussen machines.

De temporele informatie van stromend bloed wordt in kleur weergegeven (color/power Doppler), maar is ook niet gestandaardiseerd tussen apparaten onderling. Echokoppen met een resolutie van 15-18MHz zijn geschikt voor het onderzoek van oppervlakkige structuren, zoals arm en beenzenuwen, met een resolutie (0.3-0.08mm) die superieur is aan die van CT en MRI (1-2mm). Deze hogere frequenties zijn door signaalverlies op grotere dieptes (oa door absorptie en scattering) minder zinvol, dus voor dieper gelegen beenzenuwen zijn probes van 12-15Mhz (met dus iets lagere resolutie) het meest geschikt.

Er zijn enkele artefacten die specifiek zijn voor echografie en in specifieke gevallen ook klinisch van toegevoegde waarde zijn. Het terugkaatsen van de ultrasone geluidsgolven richting de probe, is voor sommige weefsels meer dan andere afhankelijk van hoek van insonatie en wordt anisotropie genoemd. Weefsels met lage anisotropie (bijv. zenuw) kunnen daarmee in de praktijk worden onderscheiden van degene met hoge anisotropie (bijv. pezen), door tijdens het onderzoek de echokop heen en weer te kantelen (pees wordt bij ongunstige hoek donker, terwijl zenuw honingraatstructuur blijft houden). Verschillen in weefseldichtheid leiden niet alleen tot echo van de geluidsgolf, maar ook in welke mate het geluid doorlaat. Dientengevolge geven weefsels met hoge densiteit (bijv. bot) geen akoestisch signaal meer door naar diepere structuren, hetgeen leidt tot een slagschaduw erachter, terwijl lage dichtheid juist lokaal verbetering geeft. Dit wordt in de praktijk benut om cystes en calcificaties te identificeren of bot als landmark voor bovenliggende spieren. Willekeurige interferentie van teruggekaatste geluidsgolven, kan leiden tot zowel toe- als afname van het door de echokop te ontvangen echosignaal en wordt ook wel ‘Speckle’ genoemd. Huid en objecten zoals een naald werken als een geluidsreflector, waardoor het echosignaal heen en weer blijft kaatsen en drogbeeld geeft van herhaling van het signaal in 1 beeld (reverberation). Om dit te vermijden is koppelingsgel nodig, die de akoestische impedantie tussen huid en probe verbetert door de bijdrage van lucht (als extra overgang) weg te nemen.

De door de echokop uitgezonden geluidsgolven kunnen op weefsel terugkaatsen (A), deflecteren (B), in meerdere richting verspreid raken (scattering, bijv. als object kleiner is dan de golflengte zoals vet in lever of thymus (C)); voorts kunnen weefsels het signaal doorlaten (D), deels of geheel terugkaatsen (E, F).Anisotropie is de weefseleigenschap die mate van geluidsreflectie determineert obv hoek van insonatie (H). Daarnaast kan voor diepte worden gecorrigeerd (H) of scherp gesteld (I). De algoritmes om het bronsignaal om te zetten naar een grijswaarden beeld zijn niet lineair (J); het combineren van signaalinformatie uit een vast aantal richtingen is een andere vorm van beeldverbetering (K).