Mats Olsson sektionschef MTA fysiologi Analogt och digitalt i ultraljudssystem

2 Analog och digital teknik Analog och digital signal En analog signal kan variera kontinuerligt och proportionellt i tiden medan i digital form är signalen kvantifierad, dvs den kan bara ha ett begränsat antal värden. En analog signal kan omvandlas till digital genom analog-till-digital-omvandling, A/D- omvandling. En provtagning eller s k sampling sker då av den analoga signalen med vissa tidsintervall som bestäms av samplingsfrekvensen. Även motsatsen, D/A-omvandling, används när man vill studera ett skeende i analog form, t ex en 2D ultraljudsbild, efter att tidigare haft informationen i digital form.

3 Analog och digital teknik A/D omvandlingen Utföres i en A/D omvandlare med ett antal sk bitar som består av 1:or och 0:or och presenteras efter varandra i det digitala talet. Antalet bitar kan t ex vara 4-12 vilket motsvarar 16 – 4096 olika nivåer, jämför med gråskalenivåerna i en 2D-bild. Kombinationen av 1:or och 0:or i den digitala signalen följer det binära talsystemet. Bildåtergivningen eller kontrastupplösningen i t ex en 2D-bild bestäms således av hur många bitar A/D-omvandlaren har och hur fort omvandlingen sker. Många bitar och snabb omvandling ger bra upplösning. A/D-omvandlingen resulterar i olika binära tal kan lätt användas för beräkning i olika digitala processer, t ex filtrering, brusreducering och bildförbättring, innan de lagras i bildminnet.

4 Analog och digital teknik Antalet bitar bestämmer det dynamiska området Förhållandet mellan det minsta och det största binära värdet bestämmer det dynamiska området bitar ger olika gråskalenivåer motsvarande ett dynamiskt område på 24 – 72 dB (decibel) Beräkningen sker enligt sambandet U2 / U1 dB = 20 x log U2 / U1, där U1 och U2 är spänningsnivåer En ultraljuds 2D-bild kan innehålla mycket svaga ekon, från t ex rörliga blodkroppar, och mycket starka ekon, t ex från gränsytor mot luft. Förhållandet kan uppgå till ggr i elektrisk spänning räknat, vilket då motsvarar 100 dB enligt ovan. Många bitar ger visserligen hög upplösning men kräver också snabbhet och hög samplingsfrekvens hos A/D-omvandlaren. Denna måste vara tillräckligt hög eftersom den minst måste vara dubbelt så hög som den högsta förekommande signalfrekvensen för att återge en sann bild av den analoga signalen. 40 MHz anses uppfylla detta krav på förekommande frekvenser vid 2D.

5 Analog och digital teknik Fördelar och nackdelar med analog eller digital teknik Analog teknik kan orsaka störningar i elektroniken vilket gör att lagring av bilder på magnettape eller diskar kan innebära kvalitetsförsämringar med tiden beroende på begränsningar i dessa lagringsmedier Bilder mm i digital form kan lagras på ett enkelt sätt på magnetiska eller optiska diskar utan kvalitetsförsämring med tiden (en sanning med viss modifikation eftersom det även där finns en bortre gräns) Den kanske viktigaste fördelen med digitalisering av ultraljudsbilder är möjligheten att digitalt processa ekoinformation. Kraftfulla matematiska algoritmer kan användas för att förbättra bildkvaliteten. Det dock viktigt att algoritmerna är tydligt beskrivna så att användaren får vetskap om eventuell rådatafiltrering eller förändring. Digitala processer måste vara omsorgsfullt validerade innan de kommer till klinisk användning.

6 Analog och digital teknik A/D-omvandling i ett ultraljudssystem Ul-Puls utsändes Reflektion i vävnaden Eko till givare Analog spänning Beamformer, A/D-omv Digitala processer D/A-omvAnalog spänning Monitor Bild

7 Analog och digital teknik A/D – omvandling allmänt Ur Hoskins m fl

8 Analog och digital teknik A/D – omvandling med 4 bitar Ur Hoskins m fl

9 Analog och digital teknik A/D-omvandlare i moderna ultraljudssystem Kan vara 8-bitars, 10-bitars eller 12-bitars, vilket motsvarar 256, 1024 eller 4096 olika nivåer, t ex vad avser gråskaleinformation i varje bildelement s k pixel. Ju fler bitar desto högre upplösning men samtidigt kräver detta en högre samplingsfrekvens dvs man samplar tätare. Omvandling med färre bitar går snabbare, man får således kompromissa. Det mänskliga ögat kan ej uppfatta fler än ca 100 gråskalenivåer så 256 nivåer är egentligen tillräckligt vid 2D. Färginformation kräver högre dynamiskt område eftersom kodningen av de 3 primära färgerna sker binärt, t ex 256 x 256 x 256 ger ca 16.7 milj. samtidiga färgnyanser. Används i vissa system.

10 Analog och digital teknik a) b) Ur Holmer

11 Analog och digital teknik Ur Holmer

12 Analog och digital teknik Ur Kremkau

13 Analog och digital teknik Binära och Decimala talsystemet Vid förflytning i talpositionen ett steg till vänster ökas värdet med 2 i det binära talsystemet (basen är 2). ex binärt = 10 decimalt dvs 1·8 + 0·4 + 1·2 + 0·1 = 10 På samma sätt i det decimala talsystemet men här ökas värdet med 10, vi har ju här ental, tiotal, hundratal osv (basen är 10). ex. det decimala talet 42 = det binära talet dvs 1·32 + 0·16 + 1·8 + 0·4 + 1·2 + 0·1 = 42 Varför då använda det binära talsystemet när talen blir längre än motsvarande decimala? Svaret är att endast två tal behöver användas, 1:or och 0:or, och detta passar perfekt i digitala processer i datorer. Den ökade tallängden kompenseras med ökad snabbhet i datorerna.

14 Analog och digital teknik Ur Kremkau

15 Analog och digital teknik Ur Holmer

16 Analog och digital teknik Beamformers Beamformern bestämmer utseende, storlek och position av ultraljudsstrålfältet Ur Kremkau

17 Analog och digital teknik zone vs line-by-line acquisition

18 Analog och digital teknik Zone Sonography Technology

19 Analog och digital teknik Ur Bushberg m fl

Upplösning i bilden Detaljupplösning Axiell upplösning, förmågan att säskilja två närliggande strukturer längs en linje i djupled, påverkas av frekvens, pulslängd (spl/2) och bildbehandling Lateral upplösning, förmågan att särskilja två närliggande strukturer sida vid sida, påverkas av beamformer, mek.lins, elektronisk fokusering och bildbehandling Upplösning vinkelrätt mot bildskivan = elevationen, påverkas av skivtjocklek som i sin tur påverkar det akustiska bruset, givarens konstruktion, det finns också matrisgivare där elevationsfokus kan ändras Kontrastupplösning A/D-omvandling, påverkas av med hur många bitar A/D-omvandlingen sker, snabbhet i omvandlingen Antal bitar, påverkas av bitdjupet Dynamiken hos systemet, hur många dB Tidsupplösning Bilduppdatering (frame rate), hur hög denna kan bli i Hz påverkas av en rad inställningar 20 Analog och digital teknik

21 Analog och digital teknik Kontrastupplösning ” Förmågan hos en gråskaledisplay att särskilja ekon med snarlika amplituder och intensiteter” Kan förbättras med fler bitar/pixel liksom med ett reducerat dynamiskt område. I ett 4 bit, 40 dB-system måste ett eko ha nästan dubbla intensiteten,78%, jämfört med ett snarlikt eko för att bli tilldelat en högre gråskalenivå i minnet. För 8 bit, 40 dB-system gäller 5 %.

22 Analog och digital teknik Upplösning, fortsättning Matrisstorlek hos bildskärmen och det dynamiska området bestämmer karatäristiken hos bilden Stor matris, t ex 512 x 512 pixels (bildpunkter) jämfört med 256 x 256, förbättrar den spatiala upplösningen (i rymden).

23 Analog och digital teknik Exempel på matriser hos några ultraljudsystem Vivid x 768 pixels Siemens Elegra 888 x 666 pixels (rec. area) Sequoia x 576 pixels

24 Analog och digital teknik Bitar i digitala minnen Antag en matris på 512 x 512 = pixels (1 byte = 8 bitar) (1kbyte = 1024 bytes eller 8192 bitar) Antag vidare 8 bitar per pixel = 256 gråskalor/pixel Totala antalet bitar = x 8 = Totala antalet kilobyte = / 8192 = 256

25 Analog och digital teknik Dynamiskt område Varierar mellan olika fabrikat, vanligen 20 – 100 dB valbart på monitorn Ca 160 dB för hela systemet

26 Analog och digital teknik Ur Kremkau

27 Analog och digital teknik Ur Kremkau

28 Analog och digital teknik Ur Kremkau

29 Analog och digital teknik Ur Kremkau

30 Analog och digital teknik Ur Kremkau

31 Analog och digital teknik Ur Kremkau

32 Analog och digital teknik Ur Kremkau

33 Analog och digital teknik Ur Kremkau

34 Analog och digital teknik Tidsupplösning ” Temporal resolution” är förmågan hos monitorn att upplösa nära på varandra följande händelser i tiden Kan förbättras med ökad s k ”frame rate” eller bilduppdatering

35 Analog och digital teknik Ur Kremkau 4 bilder är tagna / varv 2 bilder är tagna / varv 1 bild är tagen / varv Frame rate = 4 Hz Frame rate = 2 Hz Frame rate = 1 Hz

36 Analog och digital teknik Ur Kremkau

37 Analog och digital teknik Ur Kremkau

38 Analog och digital teknik Ur Holmer