Basic Physical Principles of Medical Ultrasound. A Practical Approach

 Basic Physical Principles of Medical Ultrasound

INTRODUCTION (Giới thiệu)

The introduction of ultrasound to obstetrics and gynecology has made tremendous impact to patient care as it allowed imaging of the fetus and placenta in obstetrics and maternal internal organs in gynecology with such clarity to allow advanced diagnosis and also to guide various life saving interventions. Understanding the physical principles of ultrasound is essential for a basic knowledge of instrument control and also for understanding safety and bioeffects of this technology. In this chapter, we present the basic concepts of the physical principles of ultrasound, define important terminology, review the safety and bioeffects and report on ultrasound statements of national and international organizations.

Khi siêu âm được ứng dụng vào chuyên ngành sản – phụ khoa, nó đã tác động rất lớn đến sự chăm sóc bệnh nhân vì nó cho ta hình ảnh rõ nét của thai nhi, bánh nhau (sản khoa), của tử cung và phần phụ (phụ khoa). Những điều đó giúp ta có được chẩn đoán chính xác, cũng như hướng dẫn ta đường đi để can thiệp một cách an toàn cho bệnh nhân. Hiểu biết về nguyên lý vật lý của siêu âm là thiêt yếu cho kiến thức cơ bản để điều chỉnh máy. Nó cũng giúp ta hiểu được sự an toàn và các tác động sinh học của kỹ thuật này. Trong chương này, chúng tôi trình bày những khái niệm cơ bản về nguyên lý vật lý của siêu âm, định nghĩa những thuật ngữ quan trọng, ôn lại tính an toàn, hiệu ứng sinh học và các khuyến cáo sử dụng siêu âm trong sản khoa trong nước và các tổ chức quốc tế

PHYSICAL CHARACTERISTICS OF SOUND (các đặc tính vật lý của âm thanh)

Sound is a mechanical wave that travels in a medium in a longitudinal and straight-line fashion.

When a sound travels through a medium, the molecules of that medium are alternately

compressed (squeezed) and rarefied (stretched). Sound cannot travel in a vacuum; it requires a

medium for transmission, as the sound wave is a mechanical energy that is transmitted from one

molecule to another. It is important to note that the molecules do not move as the sound wave

passes through them, they oscillate back and forth, forming zones of compression and rarefaction

in the medium. Seven acoustic parameters describe the characteristics of a sound wave. Table

1.1 lists these characteristics.

Âm thanh là sóng cơ học lan truyền trong một môi trường ở dạng dọc và đường thẳng. Khi âm

thanh lan truyền trong một môi trường, các phân tử trong môi trường đó luân phiên bị nén lại và

giãn ra. Âm thanh không thể lan truyền trong chân không; nó cần một môi trường để truyền âm,

vì sóng âm là năng lượng cơ học được truyền từ phân tử này tới phân tử khác. Điều quan trọng

cần lưu ý đó là các phân tử không chuyển động khi sóng âm truyền qua chúng, chúng chỉ dao

động tới – lui, hình thành những vùng nén lại và giãn ra trong môi trường. Bảy thông số được

dùng để mô tả đặc tính của sóng âm. Bảng 1.1 liệt kê các đặc tính này.

Frequency of a sound wave is the number of cycles that occurs in one second (Figure 1.1). The

unit Hertz is 1 cycle / second. Frequency is an important characteristic of sound in ultrasound

imaging as it affects penetration of sound and image quality. 

Tần số của sóng âm là số chu kỳ diễn ra trong 1 giây (Hình 1.1). Đơn vị Hertz là 1 chu kỳ / giây.

Tần số là một đặc tính quan trọng của sóng âm, vì nó quyết định độ xuyên thấu của sóng âm và

chất lượng hình ảnh.

Period of a sound wave is related to  the time that a wave takes to vibrate up and down and thus is reciprocally related to frequency.

For instance, a sound wave with a frequency of 10 Hertz will have a period of 1/10 second.

Amplitude, power and intensity are three wave characteristics that relate to the strength of a

sound wave. Amplitude is defined by the difference between the peak (maximum) or trough

(minimum) of the wave and the average value (Figure 1.2). The peak or crest, represents the

zone of compression and the trough represents the zone of rarefaction (Figure 1.2). 

Chu kỳ của sóng âm là thời gian để hình thành một bước sóng đi lên và xuống, và như thế liên

quan chặt chẽ với tần số. Ví dụ như, sóng âm có tần số 10 Hertz sẽ có chu kỳ là 1/10 giây.

Biên độ, công suất và cường độ là ba đặc tính liên quan đến sức mạch của sóng âm.

Biên độ được xác định bằng sự chênh lệch giữa đỉnh (tối đa) hoặc lõm (tối thiểu) của sóng âm và

giá trị trung bình (Hình 1.2). Đỉnh hoặc chỏm, biểu thị cho vùng nén lại và lõm biểu thị cho

vùng giãn ra (Hình 1.2).

Units of amplitudes are expressed in pressure parameters (Pascals) and in clinical imaging in million

Pascals (MPa). The amplitude of a sound wave diminishes as sound propagates through the

body. Power is the rate of energy transferred through the sound wave and is expressed in Watts.

Power is proportional to the amplitude squared of a sound wave. Power can be altered up or

down by a control on the ultrasound machine. Intensity is the concentration of energy in a sound

wave and thus is dependent on the power and the cross sectional area of the sound beam. The

intensity of a sound beam is thus calculated by dividing the power of a sound beam (Watts) by its

cross sectional area (cm2), expressed in units of W/cm2. The wavelength of a sound wave is the

length of a wave and is defined as the distance of a complete cycle. It is designated by the

symbol lambda (λ), is expressed in mm in clinical settings (Figure 1.3), and can be calculated by

dividing the velocity of the wave by the frequency of the wave (λ = v/f). The propagation speed

is the distance that a sound wave travels through a specified medium in 1 second.

Đơn vị của biên độ là thông số áp suất (Pascals) và trong hình ảnh lâm

sàng, đơn vị là million Pascals (MPa). Biên độ của sóng âm giảm bớt khi âm thanh lan truyền

trong cơ thể. Công suất là mức năng lượng chuyển qua sóng âm, đơn vị là Watts. Công suất tỷ lệ

thuận với biên độ của sóng âm. Công suất có thể điều chỉnh tăng hoặc giảm trên máy siêu âm.

Cường độ là sự tập trung năng lượng trong sóng âm và như thế nó phụ thuộc vào công suất và

thiết diện cắt ngang của chùm sóng âm. Cường độ của sóng âm được tính bằng cách chia công

suất của sóng âm (Watts) cho thiết diện cắt ngang của nó (cm2), đơn vị là W/cm2. Độ dài bước

sóng là chiều dài của sóng được xác định là khoảng cách của 1 chu kỳ. Nó được ký hiệu là

lambda (λ), đơn vị tính là mm khi ứng dụng trong lâm sàng (Hình 1.3), và được tính bằng cách

chia vận tốc của sóng âm cho tần số của sóng âm (λ = v/f). Vận tốc truyền âm là khoảng cách mà

sóng âm truyền qua một môi trường đặc thù trong thời gian 1 giây.

Figure 1.1: Frequency of sound is the number of cycles per

second (s) and is expressed in Hertz (1 cycle / sec). In Wave

A, the frequency is 2 cycles per sec or 2 Hertz and in wave B

the frequency is 3 cycles per sec or 3 Hertz. The double

arrows denote sound wavelengths, described in figure 1.3.

Hình 1.1: Tần số của sóng âm là số chu kỳ mỗi giây, đơn vị

tính là Hertz (1 chu kỳ / giây). A, tần số là 2 chu kỳ mỗi giây

hoặc 2 Hertz. B, tần số là 3 chu kỳ mỗi giây hoặc 3 Hertz. Mũi

tên đôi ghi chú độ dài bước sóng được mô tả ở hình 1.3.

Figure 1.2: Amplitude (A) is defined by the difference between

the peak (maximum) or trough (minimum) of the wave and the

average value. Units of amplitude are expressed in million

Pascals (MPa).

Hình 1.2: Biên độ (A) được xác định bằng sự chênh lệch giữa

đỉnh (tối đa) hoặc lõm (tối thiểu) của sóng và giá trị trung bình.

Đơn vị của biên độ là million Pascals (MPa).

Figure 1.3: The wavelength of a sound wave is the length of a wave and is defined as

the distance of a complete cycle. It is designated by the symbol lambda (λ), and is

expressed in mm. In this schematic, 3 sound waveforms are shown with respectively

shorter wavelengths from A to C.

Hình 1.3: Độ dài bước sóng của sóng âm là chiều dài của sóng, được xác định là

khoảng cách của một chu kỳ. Ký hiệu là lambda (λ), đơn vị là mm. Trong biểu đồ này,

3 sóng âm có độ dài bước sóng ngắn dần từ A tới C.

The sound source, which is the ultrasound machine and/or the transducer, determines the

frequency, period, amplitude, power and intensity of the sound. Wavelength is determined by

both the sound source and the medium and the propagation speed is a function of the medium

only. The propagation speed of sound in soft tissue is constant at 1,540 m/s. Table 1.2 shows the

propagation of sound in other biologic media and materials.

Nguồn phát sóng âm (máy siêu âm và/hoặc đầu dò) quyết định tần số, chu kỳ, biên độ, công suất

và cường độ của sóng âm. Độ dài bước sóng được xác định bằng cả nguồn phát sóng và môi

trường truyền âm vì môi trường quyết định tốc độ lan truyền của sóng âm. Tốc độ lan truyền của

sóng âm trong mô mềm là một hằng số, 1.540 m/s. Bảng 1.2 cho biết vận tốc truyền âm trong

một số môi trường và vật chất

WHAT IS ULTRASOUND? (siêu âm là gì)

Sound is classified based upon the ability of the human ear to hear it. Sounds sensed by young

healthy adult human ears are in the range of 20 cycles per second or Hertz, abbreviated as Hz, to

20,000 Hz, or 20 KHz (Kilo Hertz) termed audible sound (Range of 20 – 20,000 Hz). If the

frequency of a sound is less than 20 Hz, it cannot be heard by humans and is defined as

infrasonic or infrasound. If the frequency of sound is higher than 20 KHz, it cannot be heard by

humans and is called ultrasonic or ultrasound, Table 1.3. Typical frequencies used in medical

ultrasound are 2-10 MHz (mega, (million), Hertz). Ultrasound frequencies that are commonly

used in obstetrics and gynecology are between 3 and 10 MHz.

Âm thanh được phân loại dựa trên khả năng nghe của con người. Tai người trẻ khỏe cảm nhận

được âm thanh có tần số từ 20 Hertz, viết tắt là Hz, tới 20.000 Hz, hoặc 20 KHz (Kilo Hertz),

được gọi là âm thanh nghe được (từ 20 – 20.000 Hz). Nếu tần số sóng âm nhỏ hơn 20 Hz, tai

người không thể nghe được và được gọi là hạ âm (infrasonic, infrasound). Nếu tần số sóng âm

cao hơn 20 KHz, tai người cũng không thể nghe được và được gọi là siêu âm (ultrasonic,

ultrasound). Bảng 1.3. Tần số thường dùng trong siêu âm chẩn đoán là 2-10 MHz (mega,

(million), Hertz). Tần số sóng siêu âm thường dùng trong sản – phụ khoa thường giữa 3 và 10

MHz.

HOW IS ULTRASOUND GENERATED? (sóng siêu âm hình thành như thế nào?)

Ultrasound waves are generated from tiny piezoelectric crystals packed within the ultrasound

transducers (Figure 1.4). When an alternate current is applied to these crystals, they contract and

expand at the same frequency at which the current changes polarity and generate an ultrasound

beam. The ultrasound beam traverses into the body at the same frequency generated. Conversely,

when the ultrasound beam returns to the transducer, these crystals change in shape and this minor

change in shape generate a tiny electric current that is amplified by the ultrasound machine to

generate an ultrasound image on the monitor. The piezoelectric crystals within the transducer

therefore transform electric energy into mechanical energy (ultrasound) and vice-versa. One

crystal is not sufficient to produce an ultrasound beam for clinical imaging and modern

transducers have large number of crystals arranged into parallel rows (Figure 1.4).

Sóng siêu âm được tạo thành từ những tinh thể áp điện nằm trong đầu dò siêu âm (Hình 1.4).

Khi một dòng điện luân phiên đến những tinh thể này, chúng co lại và giãn ra với cùng một tần

số mà dòng điện thay đổi chiều phân cực và tạo thành tia siêu âm. Tia siêu âm đi vào cơ thể với

cùng một tần số mà đầu dò đã tạo ra. Ngược lại, khi tia siêu âm trở về đầu dò, những tinh thể này

thay đổi hình dáng, và sự thay đổi nhỏ bé này tạo ra một dòng điện nhỏ bé rồi được khuếch đại

bởi máy siêu âm để tạo thành hình ảnh siêu âm trên màn hình. Các tinh thể áp điện trong đầu dò

đã chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ (siêu âm) và ngược lại. Một tinh thể là không đủ

để tạo một sóng siêu âm cho chẩn đoán và các đầu dò hiện đại có rất nhiều tinh thể sắp xếp thành

những hàng song song nhau (Hình 1.4)

 Each crystal can nevertheless be stimulated individually. The crystals are protected by a rubber covering that

helps decrease the resistance to sound transmission (impedance) from the crystals to the body.

The high frequency sound generated by a transducer do not travel well through air, so in order to

facilitate their transfer from the transducer to the skin of the patient, a watery gel is applied that

couples the transducer to the skin and permits the sound to go back and forth. Ultrasound is

therefore generated inside transducers by tiny crystals that convert electric current to ultrasound

and convert returning ultrasound beams from the body into electric currents. Modern transducers

have crystals made of synthetic plumbium zirconium titanate (PZT).

Tuy vậy mỗi tinh thể có thể được kích thích riêng biệt.

Các tinh thể được bảo vệ bởi lớp cao su che phủ giúp giảm bớt trở kháng sóng âm từ tinh thể đến

cơ thể. Sóng âm tần số cao được tạo thành bởi đầu dò không truyền tốt trong không khí, vì thế,

để dễ truyền từ đầu dò tới da của bệnh nhân, một chất gel được dùng để kết nối giữa đầu dò và

da, giúp song âm lan truyền dễ dàng. Như thế, sóng siêu âm được tạo thành bên trong đầu dò bởi

các tinh thể chuyển đổi dòng điện thành sóng âm và ngược lại, chuyển đổi sóng siêu âm phản hồi

trở về từ cơ thể thành dòng điện. Các đầu dò hiện đại có tinh thể được làm từ plumbium

zirconium titanate (PZT) tổng hợp.

Figure 1.4: Piezoelectric crystals shown within a transducer. Note the symmetrical arrangement of the

crystals. This figure is a diagrammatic representation, as the crystals are typically much smaller than

shown. Figure 1.4 is modified with permission from the Society of Ultrasound in Medical Education

(SUSME.org).

Hình 1.4: Các tinh thể áp điện bên trong một đầu dò. Lưu ý sự sắp xếp đối xứng của các tinh thể. Hình

này là sơ đồ minh họa, vì thực tế các tinh thể có kích thước nhỏ hơn nhiều. Hình 1.4 được sửa đổi với sự cho phép từ Hiệp hội Siêu âm trong Giáo dục Y khoa (Society of Ultrasound in Medical Education -SUSME.org).

HOW IS AN ULTRASOUND IMAGE FORMED? (hình ảnh siêu âm được tạo như thế nào)

Modern ultrasound equipment create an ultrasound image by sending multiple sound pulses from

the transducer at slightly different directions and analyzing returning echoes received by the

crystals. Details of this process is beyond the scope of this book, but it is important to note that

tissues that are strong reflectors of the ultrasound beam, such as bone or air will result in a strong

electric current generated by the piezoelectric crystals which will appear as a hyperechoic image

on the monitor (Figure 1.5). 

Máy siêu âm hiện đại tạo ra một hình ảnh siêu âm bằng cách gửi nhiều xung sóng âm từ đầu dò

với hướng đi khác nhau không đáng kể và phân tích sóng âm phản hồi trở về các tinh thể. Chi

tiết của quá trình này nằm ngoài mục tiêu của cuốn sách này, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là

các mô phản xạ mạnh sóng siêu âm như xương hoặc không khí sẽ tạo ra dòng điện mạnh từ các

tinh thể áp điện và sẽ cho hình ảnh hồi âm dày (hyperechoic) trên màn hình máy siêu âm. (Hình

1.5). 

On the other hand, weak reflectors of ultrasound beam, such as fluid

or soft tissue, will result in a weak current, which will appear as a hypoechoic or anechoic image

on the monitor (Figure 1.5). The ultrasound image is thus created from a sophisticated analysis

of returning echoes in a grey scale format. Given that the ultrasound beam travels in a

longitudinal format, in order to get the best possible image, keep the angle of incidence of the

ultrasound beam perpendicular to the object of interest, as the angle of incidence is equal to the

angle of reflection (Figure 1.6).

Nói cách khác, những phản xạ yếu sóng siêu âm, như dịch hoặc mô mềm, sẽ tạo ra dòng

điện yếu, cho hình ảnh hồi âm kém (hypoechoic) hoặc hồi âm trống (anechoic) trên màn hình

(Hình 1.5). Như thế hình ảnh siêu âm được tạo thành từ sự phân tích tinh vi sóng siêu âm phản

hồi trở về để tạo thành hình ảnh trên thang độ xám. Vì rằng sóng âm lan truyền theo trục dọc, để

nhận được hình ảnh tốt nhất có thể, ta điều chỉnh đầu dò sao cho chùm tia siêu âm phát ra vuông

góc với cấu trúc cần khảo sát, vì như thế góc tới bằng góc phản xạ (Hình 1.6)

Figure 1.5: Ultrasound image of fetal extremities in the second trimester. Note the

hyperechoic femur, the hypoechoic soft tissue in the thigh and anechoic amniotic

fluid. Calipers measure the maximal vertical pocket of amniotic fluid (chapter 9).

Hình 1.5: Hình ảnh siêu âm chi của thai quý II. Lưu ý xương đùi có hồi âm dày, mô

mềm của đùi có hồi âm kém, nước ối có hồi âm trống. Đo dọc khoang ối lớn nhất

(chương 9).

WHAT ARE DIFFERENT TYPES OF ULTRASOUND MODES? (các chế độ siêu âm khác nhau là gì?)

A-mode, which stands for “Amplitude mode”, is no longer used in clinical obstetric and

gynecologic ultrasound imaging but was the basis of modern ultrasound imaging. In A-mode

display, a graph shows returning ultrasound echoes with the x-axis representing depth in tissues

and the y-axis representing amplitude of the returning beam. Historically, A-mode ultrasound

was used in obstetrics in measuring biparietal diameters (Figure 1.7). 

A-mode, là “mode biên độ”, không còn được sử dụng trong siêu âm sản – phụ khoa, nhưng nó là

nền tảng của hình ảnh siêu âm hiện đại. Hình A-mode, một biểu đồ thể hiện sóng âm phản hồi

trở về với trục x biểu thị cho độ sâu trong mô và trục y biểu thị cho biên độ của sóng hồi âm.

Lịch sử, A-mode được ứng dụng trong sản khoa để đo đường kính lưỡng đỉnh (Hình 1.7). Bmode, là “mode độ sáng”, còn gọi là hình ảnh hai chiều, thường được dùng để mô tả hình ảnh

siêu âm trên thang độ xám

B-mode display, which

stands for “Brightness mode”, known also as two-dimensional imaging, is commonly used to

describe any form of grey scale display of an ultrasound image. The image is created based upon

the intensity of the returning ultrasound beam, which is reflected in a variation of shades of grey

that form the ultrasound image (Figure 1.8). It is important to note that B-mode is obtained in

real-time, an important and fundamental characteristic of ultrasound imaging. Table 1.4 shows

various echogenicity of normal fetal tissue.

Hình ảnh tạo thành dựa trên cường độ của sóng hồi âm, được phản

ánh bằng nhiều sắc thái trên thang độ xám để hình thành hình siêu âm (Hình 1.8). Điều quan

trọng cần lưu ý đó là B-mode là hình ảnh theo thời gian thực (real-time), một đặc tính quan trọng

và cơ bản của siêu âm. Bảng 1.4 cho biết độ hồi âm khác nhau của mô thai nhi bình thường.

Figure 1.6: Ultrasound image of fetal lower extremity in the second trimester

demonstrating the effect of the angle of insonation. Note how clearly the tibia is seen,

as the angle of insonation is almost 90 degrees to it. The femur is barely seen, as the

angle of insonation is almost parallel to it.

Hình 1.6: Hình ảnh siêu âm chi dưới của thai quý II mô tả hiệu ứng góc của sóng âm.

Lưu ý rằng xương chày (tibia) thấy rõ vì chùm tia siêu âm tạo với nó một góc gần 90 độ.

Xương đùi (femur) không thấy rõ vì nó gần như song song với chùm tia siêu âm.

Figure 1.7: A-Mode ultrasound of fetal head. The first spike corresponds to the

anterior cranium and the second spike corresponds to the posterior cranium.

The biparietal diameter is the distance between these 2 spikes.

Hình 1.7: Siêu âm A-Mode đầu thai nhi. Đỉnh nhọn thứ nhất tương ứng với
xương sọ phía trước và đỉnh nhọn thứ hai tương ứng với xương sọ phía sau.
Đường kính lưỡng đỉnh (biparietal diameter) là khoảng cách giữa hai đỉnh
nhọn.

Figure 1.8: Variations in grey scale in a 2D ultrasound image of a

fetal abdomen in the second trimester. Note the hyperechoic ribs

and lung tissue, hypoechoic liver and anechoic umbilical vein. The

intensity of the returning beam determines echogenicity.

Hình 1.8: Những khác nhau trên thang độ xám trong hình siêu âm
2D vùng bụng thai nhi trong quý II. Lưu ý xương sườn và mô phổi
có hồi âm dày, gan hồi âm kém và tĩnh mạch rốn hồi âm trống.
Cường độ sóng hồi âm quyết định độ hồi âm.

M-mode display, which stands for “Motion mode” is a display that is infrequently used in current

ultrasound imaging but is specifically used to assess the motion of the fetal cardiac chambers and

valves in documentation of fetal viability and to assess certain fetal cardiac conditions such as

arrhythmias and congenital heart disease. The M-mode originates from a single beam penetrating

the body with a high pulse repetition frequency. The display on the monitor shows the time of

the M-mode display on the x-axis and the depth on the y axis (Figure 1.9).

M-mode, là “mode chuyển động” sử dụng không thường xuyên trong siêu âm hiện nay nhưng
được sử dụng chuyên biệt để đánh giá chuyển động của các buồng tim và van tim thai để làm
bằng chứng thai sống và đánh giá một số bất thường tim thai như loạn nhịp tim và bệnh tim bẩm
sinh. M-mode phát ra một tia sóng âm duy nhất xuyên qua cơ thể với tần số lập lại xung cao. Thể
hiện trên màn hình chỉ thời gian của M-mode trên trục x và độ sâu trên trục y (Hình 1.9)

Figure 1.9: M-mode ultrasound of the fetal heart in the second trimester. The Mmode display (in sepia color) corresponds to the single ultrasound beam (dashed

yellow line) with the X-axis displaying time and Y-axis displaying depth. Note the

display of the heart on B-mode and corresponding M-mode shown by the doubleheaded arrows.

Hình 1.9: Hình M-mode của tim thai nhi trong quý II. M-mode thể hiện (màu nâu)
tương ứng với tia sóng âm duy nhất (đường chấm vàng) với trục X chỉ thời gian và
trục y chỉ độ sâu. Lưu ý hình ảnh của tim trên B-mode và tương ứng với M-mode
bằng các mũi tên đôi.

TABLE 1.4 Various Ultrasound Echogenicity of Fetal Tissue

Color and spectral (pulsed) Doppler modes are dependent on the Doppler principle (effect). The

Doppler principle describes the apparent variation in frequency of a light or a sound wave as the

source of the wave approaches or moves away, relative to an observer. The traditional example

that is given to describe this physical phenomenon is the apparent change in sound level of a

train as the train approaches and then departs a station. The sound seems higher in pitch as the

train approaches the station and seems lower in pitch as the train departs the station. This

apparent change in sound pitch, or what is termed the frequency shift, is proportional to the

speed of movement of the sound-emitting source, the train in this example. It is important to note

that the actual sound of the train is not changing; it is the perception of change in sound to a

stationary observer that determines the “Doppler effect”. In clinical applications, when

ultrasound with a certain frequency (fo) is used to insonate a certain blood vessel, the reflected

frequency (fd) or frequency shift is directly proportional to the speed with which the red blood

cells are moving (blood flow velocity) within that particular vessel. This frequency shift of the

returning signal is displayed in a graphic form as a time-dependent plot. In this display, the

vertical axis represents the frequency shift and the horizontal axis represents the temporal change

of this frequency shift as it relays to the events of the cardiac cycle (Figure 1.10). This frequency

shift is highest during systole, when the blood flow is fastest and lowest during end diastole,

when the blood flow is slowest in the peripheral circulation (Figure 1.10). Given that the

velocity of flow in a particular vascular bed is inversely proportional to the downstream

impedance to flow, the frequency shift therefore derives information on the downstream

impedance to flow of the vascular bed under study. The frequency shift is also dependent on the

cosine of the angle that the ultrasound beam makes with the targeted blood vessel (see formula in

Figure 1.10). Given that the insonating angle (angle of incidence) is difficult to measure in

clinical practice, indices that rely on ratios of frequency shifts were developed to quantitate

Doppler waveforms. By relying on ratios of frequency shifts, these Doppler indices are thus

independent of the effects of the insonating angle of the ultrasound beam. Doppler indices that

are commonly used in obstetric and gynecologic practice are shown in (Figure 1.11).

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 18Figure 1.10: Doppler velocimetry of the umbilical artery at the abdominal cord insertion. “S”

corresponds to the frequency shift during peak systole and “D” corresponds to the frequency

shift during end diastole. The Doppler effect formula is also shown in white background.

(Schematic of Doppler formula modified with permission from A Practical Guide to Fetal

Echocardiography Normal and Abnormal Hearts – Abuhamad, Chaoui, second edition –

Wolters Kluwer.

Figure 1.11: Doppler waveforms formulas that are commonly used in obstetrics and

gynecology. PI = pulsatility index, RI = resistive index, S = peak systolic frequency

shift, D = end diastolic frequency shift and M = mean frequency shift. Reproduced

with permission from A Practical Guide to Fetal Echocardiography: Normal and

Abnormal Hearts – Abuhamad, Chaoui, second edition – Wolters Kluwer.

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 19Color Doppler mode or Color flow mode is a mode that is superimposed on the real-time Bmode image. This mode is used to detect the presence of vascular flow within the tissue being

insonated (Figure 1.12). By convention, if the flow is towards the transducer it is colored red

and if the flow is away from the transducer it is colored blue. The operator controls various

parameters of color Doppler such as the velocity scale or pulse repetition frequency (PRF), wall

filter, size of the area within the field of B-mode and the angle of incidence that the ultrasound

beam makes with the direction of blood flow. Low velocity scales and filters are reserved for low

impedance vascular beds such as ovarian flow in gynecology (Figure 1.13) and high velocity

scales and filters are reserved for high impedance circulation such as cardiac outflow tracts

(Figure 1.14). In order to optimize the display of color Doppler, the angle of insonation should

be as parallel to the direction of blood flow as possible. If the angle of insonation approaches

ninety degrees, no color flow will be displayed given that the “Doppler effect” is dependent on

the cosine of the angle of insonation, and cosine of 90 degrees is equal to zero (Figure 1.15).

Figure 1.12: Color Doppler mode of the cord insertion into a posterior

placenta. Blood in the umbilical vein is colored red (towards the transducer)

and blood in the umbilical arteries is colored blue (away from the

transducer).

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 20Figure 1.13: Color Doppler mode of blood flow within the

ovary (labeled). Typically ovarian flow is low impedance and

detected on low velocity scale with low filter setting.

Figure 1.14: Color Doppler mode of left ventricular outflow in

the fetal heart. Blood flow in the fetal heart has high velocity

and thus is detected on high velocity scale. LV=left ventricle,

RV=right ventricle, Ao=aorta.

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 21In the spectral Doppler mode, or pulsed Doppler mode, quantitative assessment of vascular flow

can be obtained at any point within a blood vessel by placing a sample volume or the gate within

the vessel (Figure 1.16). Similar to color Doppler, the operator controls the velocity scale, wall

filter and the angle of incidence. Flow towards the transducer is displayed above the baseline and

flow away from the transducer is displayed below the baseline. In spectral Doppler mode, only

one crystal is typically necessary and it alternates between sending and receiving ultrasound

pulses.

Figure 1.15: Blood flow in an umbilical cord showing the

Doppler Effect. White arrows show the direction of blood

flow. Note the absence of blood flow on color Doppler

(asterisk) where the ultrasound beam (grey arrow) images the

cord with an angle of insonation equal to 90 degrees. The

black arrows represent blood flow with an angle of insonation

almost parallel to the ultrasound beam and thus display the

brightest color corresponding to the highest velocities.

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 22Doppler mode, or Energy mode, or High Definition Doppler mode is a sensitive mode of

Doppler that is available on some high-end ultrasound equipment and is helpful in the detection

of low velocity flow (Figure 1.17). The strength (amplitude) of the reflected signal is primarily

processed. Power Doppler mode is less affected by the angle of insonation than the traditional

color or spectral Doppler.

Figure 1.16: Pulsed Doppler mode of the umbilical artery. S

corresponds to the frequency shift during peak systole and D

corresponds to the frequency shift at end diastole.

Figure 1.17: Power Doppler mode showing vascularity within

a borderline ovarian tumor. Power Doppler mode is helpful

in the detection of low velocity flow.

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 23WHAT ARE THE BIOEFFECTS OF ULTRASOUND?

Ultrasound is a form of mechanical energy and its output varies based upon the mode applied. In

general B-mode has the lowest energy and pulsed Doppler has the highest energy. Given the

presence of a theoretical and potential harm of ultrasound, the benefit to the patient must always

outweigh the risk. In general, ultrasound is considered to be a safe imaging modality as

compared to other imaging modalities that have ionizing radiation like X-ray and Computed

Tomography (CT). There are 2 important indices for measurement of bioeffects of ultrasound;

the Thermal Index (TI) and the Mechanical Index (MI). The Thermal Index is a predictor of

maximum temperature increase under clinically relevant conditions and is defined as the ratio of

the power used over the power required to produce a temperature rise of 1° C. The TI is reported

in three forms; TIS or Thermal index Soft tissue, assumes that sound is traveling in soft tissue,

TIB or Thermal index Bone, assumes that sound is at or near bone, TIC, or Thermal index

Cranial assumes that the cranial bone is in the sound beam’s near field. The Mechanical index

(MI) gives an estimation of the cavitation effect of ultrasound, which results from the interaction

of sound waves with microscopic, stabilized gas bubbles in the tissues. Other effects included in

this category are physical (shock wave) and chemical (release of free radicals) effects of

ultrasound on tissue.

In 1992, the Output Display Standard (ODS) was mandated for all diagnostic ultrasound devices.

In this ODS, the manufacturers are required to display in real time, the TI and the MI on the

ultrasound screen with the intent of making the user aware of bioeffects of the ultrasound

examination (Figure 1.18). The user has to be aware of the power output and make sure that

reasonable levels are maintained. Despite the lack of scientific reports of confirmed harmful

bioeffect from exposure to diagnostic ultrasound, the potential benefit and risk of the ultrasound

examination should be assessed and the principle of ALARA should be always followed. The

ALARA principle stands for As Low As Reasonably Achievable when adjusting controls of the

ultrasound equipment in order to minimize the risk. Always keep track of the TI and MI values

on the ultrasound screen, and keep the TI below 1 and MI below 1 for obstetrical ultrasound

imaging.

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 24WHAT ARE SOME RELEVANT OFFICIAL STATEMENTS FROM ULTRASOUND

SOCIETIES?

Several national and international societies have official statements that relates to the use of

medical ultrasound in obstetrics and gynecology. We have assembled in this chapter some of the

relevant official statements along with the Internet link to their source. It is important to note that

official societal statements tend to be updated from time to time and the reader should consult

with the society’s website for the most recent version.

International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology (ISUOG)

(www.ISUOG.org)

ISUOG- Statement on the safe use of Doppler in the 11 to 13+6-week fetal ultrasound

examination (1):

1) Pulsed Doppler (spectral, power and color flow imaging) ultrasound should not be used

routinely.

2) Pulsed Doppler ultrasound may be used for clinical indications such as to refine risks for

trisomies.

Figure 1.18: An ultrasound examination of the fetal abdomen in the

third trimester of pregnancy. Note the display of MI and TIb in white

rectangle. MI= Mechanical Index and TIb=Thermal Index bone.

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 253) When performing Doppler ultrasound, the displayed thermal index (TI) should be ≤1.0

and exposure time should be kept as short as possible (usually no longer than 5–10 min)

and should not exceed 60 min.

4) When using Doppler ultrasound for research, teaching and training purposes, the

displayed TI should be ≤1.0 and exposure time should be kept as short as possible

(usually no longer than 5–10 min) and should not exceed 60 min. Informed consent

should be obtained.

5) In educational settings, discussion of first-trimester pulsed or color Doppler should be

accompanied by information on safety and bioeffects (e.g. TI, exposure times and how to

reduce output power)

6) When scanning maternal uterine arteries in the first trimester, there are unlikely to be any

fetal safety implications as long as the embryo/fetus lies outside the Doppler ultrasound

beam.

ISUOG- Safety Statement, 2000 (reconfirmed 2003) (2):

The thermal index (TI) and the mechanical index (MI) are not perfect indicators of the risks of

thermal and nonthermal bioeffects, but currently they should be accepted as the most practical

and understandable methods of estimating the potential for such risks.

B-mode and M-mode

Acoustic outputs are generally not high enough to produce deleterious effects. Their use

therefore appears to be safe, for all stages of pregnancy.

Doppler Ultrasound

Significant temperature increase may be generated by spectral Doppler mode, particularly in the

vicinity of bone. This should not prevent use of this mode when clinically indicated, provided the

user has adequate knowledge of the instrument’s acoustic output, or has access to the relevant TI.

Caution is recommended when using color Doppler mode with a very small region of interest,

since this mode produces the highest potential for bioeffects. When ultrasound examination is

clinically indicated, there is no reason to withhold the use of scanners that have received current

Food and Drug Administration clearance in tissues, which have no identifiable gas bodies. Since

ultrasound contrast agents are mostly gas-carriers, the risk of induction and sustenance of inertial

cavitation is higher in circumstances when these agents are employed.

Pregnancy

Based on evidence currently available, routine clinical scanning of every woman during

pregnancy using realtime B-mode imaging is not contraindicated. The risk of damage to the fetus

by teratogenic agents is particularly great in the first trimester. One has to remember that heat is

generated at the transducer surface when using the transvaginal approach. Spectral and color

Doppler may produce high intensities and routine examination by this modality during the

embryonic period is rarely indicated. In addition, because of high acoustic absorption by bone,

the potential for heating adjacent tissues must also be kept in mind. Exposure time and acoustic

output should be kept to the lowest levels consistent with obtaining diagnostic information and

limited to medically indicated procedures, rather than for purely entertainment purposes.

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 26Education

Education of ultrasound operators is of the utmost importance since the responsibility for the safe

use of ultrasound devices is now shared between the users and the manufacturers, who should

ensure the accuracy of the output display.

ISUOG-Statement on the non-medical use of ultrasound (2009) (3):

The International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology (ISUOG) and World

Federation of Ultrasound in Medicine and Biology (WFUMB) disapprove of the use of

ultrasound for the sole purpose of providing souvenir images of the fetus. There have been no

reported incidents of human fetal harm in over 40 years of extensive use of medically indicated

and supervised diagnostic ultrasound. Nevertheless, ultrasound involves exposure to a form of

energy, so there is the potential to initiate biological effects. Some of these effects might, under

certain circumstances, be detrimental to the developing fetus. Therefore, the uncontrolled use of

ultrasound without medical benefit should be avoided. Furthermore, ultrasound should be

employed only by health professionals who are trained and updated in the clinical usage and

bioeffects of ultrasound.

American Institute of Ultrasound in Medicine (AIUM) (www.AIUM.org)

AIUM-As Low As Reasonably Achievable (ALARA) Principle (2008) (4):

The potential benefits and risks of each examination should be considered. The ALARA (As

Low As Reasonably Achievable) Principle should be observed when adjusting controls that

affect the acoustical output and by considering transducer dwell times. Further details on

ALARA may be found in the AIUM publication "Medical Ultrasound Safety”.

AIUM-Conclusions Regarding Epidemiology for Obstetric Ultrasound (2010) (5):

Based on the epidemiologic data available and on current knowledge of interactive mechanisms,

there is insufficient justification to warrant conclusion of a causal relationship between

diagnostic ultrasound and recognized adverse effects in humans. Some studies have reported

effects of exposure to diagnostic ultrasound during pregnancy, such as low birth weight, delayed

speech, dyslexia and non-right-handedness. Other studies have not demonstrated such effects.

The epidemiologic evidence is based primarily on exposure conditions prior to 1992, the year in

which acoustic limits of ultrasound machines were substantially increased for fetal/obstetric

applications

AIUM-Prudent Use and Clinical Safety (2012) (6):

Diagnostic ultrasound has been in use since the late 1950s. Given its known benefits and

recognized efficacy for medical diagnosis, including use during human pregnancy, the American

Institute of Ultrasound in Medicine herein addresses the clinical safety of such use:

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 27No independently confirmed adverse effects caused by exposure from present diagnostic

ultrasound instruments have been reported in human patients in the absence of contrast agents.

Biological effects (such as localized pulmonary bleeding) have been reported in mammalian

systems at diagnostically relevant exposures but the clinical significance of such effects is not yet

known. Ultrasound should be used by qualified health professionals to provide medical benefit to

the patient. Ultrasound exposures during examinations should be as low as reasonably achievable

(ALARA).

AIUM-Prudent Use in Pregnancy (2012) (7):

The AIUM advocates the responsible use of diagnostic ultrasound and strongly discourages the

non-medical use of ultrasound for entertainment purposes. The use of ultrasound without a

medical indication to view the fetus, obtain images of the fetus, or determine the fetal gender is

inappropriate and contrary to responsible medical practice. Ultrasound should be used by

qualified health professionals to provide medical benefit to the patient.

AIUM-Statement on Measurement of Fetal Heart Rate (2011) (8):

When attempting to obtain fetal heart rate with a diagnostic ultrasound system, AIUM

recommends using M-mode at first, because the time-averaged acoustic intensity delivered to the

fetus is lower with M-mode than with spectral Doppler. If this is unsuccessful, spectral Doppler

ultrasound may be used with the following guidelines: use spectral Doppler only briefly (e.g. 4-5

heart beats) and keep the thermal index (TIS for soft tissues in the first trimester, TIB for bones

in second and third trimesters) as low as possible, preferably below 1 in accordance with the

ALARA principle.

References:

1) International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology official statement on

the Safe use of Doppler in the 11 to 13+6 week fetal ultrasound examination. UOG:

Volume 37, Issue 6, Date: June 2011, Page: 628

2) International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology official statement on

Safety. UOG: Volume 21, Issue 1, Date: January 2003, Page: 100

3) International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology official statement on

Non-Medical use of ultrasound. UOG: Volume 33, Issue 5, Date: May 2009, Page: 617

4) American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on

http://www.aium.org/officialStatements/39

5) American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on As Low As

Reasonably Achievable principal; 2008. http://www.aium.org/officialStatements/16

6) American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on Conclusions

regarding epidemiology for obstetric ultrasound; 2010

http://www.aium.org/officialStatements/34

Chapter 1: Basic Physical Principles of Medical Ultrasound 287) American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on Prudent use in

pregnancy; 2012. http://www.aium.org/officialStatements/33

8) American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on Measurement of fetal

heart rate; 2011. http://www.aium.org/officialStatements/43