Princípios físicos de Ultrasonografia

Princípios físicos de Ultrasonografia
PTC - 5750
6/6/2008
1
O que sabemos?
Tipo de energia?
Tipo de interação com o corpo humano?
Alguma semelhança com radar?
Invasivo?
Ionizante?
Projeção?
Vantagens/Desvantagens/Limitações?
6/6/2008
2
SONAR
6/6/2008
3
Radar metereológico
•É tomográfico?
•morfologia e velocidade
6/6/2008
4
Corte tomográfico por reflexão
6/6/2008
5
Tomografia
Reconstrução tomográfica a partir das
projeções
– CT, Spiral CT, fastCT
– SPECT
– PET
6/6/2008
6
ULTRA-SONOGRAFIA
Modo Bidimensional
Modo M
Doppler
Mapeamento de fluxos a cores
6/6/2008
7
Ultra-som
Custo/benefício muito bom
+ Energia utilizada não é ionizante
+ Exames não são invasivos
+ Inerentemente tomográfico: dinâmica
+ Exames realizados pelos próprios médicos
especialistas.
− Ruído do tipo speckle (interferência de ondas
− Informações não são metabólicas, ou
fisiológicas
6/6/2008
8
Som
Som
=
ondas mecânicas longitudinais de
compressão e rarefação do meio, com freqüências
entre 20 Hz e 20 kHz, capazes de sensibilizar o
sistema auditivo humano.
–
–
–
–
Humanos - 20 Hz ~ 20 kHz
Cães - 15 Hz ~ 50 kHz
Golfinhos - 150 Hz ~ 150 kHz
Morcegos - 1 kHz ~ 120 kHz
Infra-som = ondas mecânicas com freqüências
abaixo de 20 Hz.
Ultra-som = ondas mecânicas com freqüências
acima de 20 kHz.
6/6/2008
9
Princípios físicos: energia
–
–
–
–
–
–
6/6/2008
Reflexão
Refração/transmissão
v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )
v= ~1500 m/s (média no corpo)
Percorre 50 cm (ida e volta) em 0.6 ms
Se varrer 100 linhas => 60 ms => 20 imagens/s
10
Ondas de compressão e rarefação
formando ondas sonoras
6/6/2008
11
Onda sonora e curvas de variação
do deslocamento e da pressão
6/6/2008
12
Reflexão, refração
Onda Incidente
Ii
Onda Refletida
Ir
θi
θr
Meio
Meio 11
Meio 2
θt
Onda Transmitida
ou Refratada
It
Figura 5 - Reflexão e refração (ou transmissão) de ondas na interface
entre os meio 1 e 2
6/6/2008
13
Transdutor: geração e recepção
6/6/2008
14
Princípios físicos
– Impedância acústica
– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )
– Z=ρ. v (Impedância=densidade x veloc.)
6/6/2008
15
Mergulhando em alta impedância
Hg
6/6/2008
16
Princípios físicos
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
frequência
=> µ
I = I 0 .e
6/6/2008
− µ .x
17
6/6/2008
18
Aumento de 2 x em frequencia ?
No caso da água, a atenuação aumentou 3 x
I = I 0 .e
6/6/2008
− µ .x
19
Princípios físicos
–
–
–
–
–
–
–
–
6/6/2008
efeito piezo-elétrico: mecânica <=> elétr.
espalhamento dentro das estruturas
resolução espacial ~1 λ =1.5 mm (@1MHz)
v= ~1500 m/s (média no corpo)
20 - 50MHz p/ intra-arterial
100-200MHz p/ microscopia celular
v= λ . f
Z=ρ. v (ρ :densidade )
20
Efeito piezoelétrico
Piezoeletricidade:
Tensão alternada produz oscilações
nas dimensões do cristal, devido ao re-alinhamento
das moléculas polarizadas
6/6/2008
21
Eco acústico: impedância
Transdutor
v(t)
d
t
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
I = I 0 .e
− µ .x
µ ~α frequencia
O que está incorreto no v(t)?
6/6/2008
22
Reflexão
Eq. Fresnel
R+T=1
θi
θr
θt
1
2
I r  Z 2 . cosθ i − Z1. cosθ t 

R = = 
I i  Z 2 . cosθ i + Z1. cosθ t 
2

It 
4 Z1.Z 2 . cos 2 θ i

T = = 
I i  (Z 2 . cosθ i + Z1. cosθ t )2 
Lei de Snell sen θ i = v1
sen θ t v2
6/6/2008
23
Incidência normal
Impedância acústica (.001g/m2/s) a
1 MHz:
•ar => 0,0004
•água => 1,54
•sangue => 1,61
•fígado => 1,65
θi = θt = 0
0
 Z 2 − Z1 

R = 
 Z 2 + Z1 
4 Z1.Z 2
T=
2
(Z 2 + Z 1 )
2
•osso => 6,00
•rim =>1,62
•gordura =>1,38
6/6/2008
24
modo A (Amplitude)
Transdutor
v
d
t
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
I = I 0 .e
− µ .x
•espalhamento
6/6/2008
25
Modo B (Brilho)
modo A em tons de cinza com varredura
102
115
6/6/2008
26
Modo B: diagrama funcional
•controle automático
ganho (tempo)
•baixo ruído eletron.
•faixa dinâmica elevada
•janela de tempo (profund)
•conversão A/D: 20MHz
• 512 x 512 x 8bits
• 512 x 512 x 24bits (Doppler)
•posição de leitura
•imagem média, simples ou
de máximos
6/6/2008
27
Modo M (Movimento)
– modoA dinâmico em tons
de cinza
t1
t2
t
6/6/2008
28
Efeito Doppler
Fluxo e velocidade
∆ f
= 2
f0
. c o s (α ). v
c
transd.
α
feixe
6/6/2008
vaso
pele
fluxo
29
Velocidade absoluta ?
• Como obter o ângulo de incidência ?
6/6/2008
30
Modo duplex
6/6/2008
31
6/6/2008
32
6/6/2008
33
Ultra-som: degradação
T(t)
S(t)
Caract. do transdutor B(t)
Atenuação no caminho A(t)
Espalhamento E(t)
Ruído : speckle
S (t) = T (t) ⊗ B (t) ⊗ A (t) ⊗ E (t)
S ( f )
= B ( f ). A ( f ). E ( f )
T ( f )
6/6/2008
34
Ruído em Ultra-som
Speckle
• interferência entre ecos
6/6/2008
35
ruído Speckle
• Ruído dependente do sinal
p
Estimador
p̂
• Amplitude dos envelopes:
Rayleigh e distr. K (baixo )
• Imagens: compressão por log()
pdf: dupla exponencial (FisherTippet)
Filtro simples tipo Wiener (local):
pˆ = p + α .( p − p )
var( p )
α = 2
p . var( p ) + var( ruido )
6/6/2008
P. Loizou et al. Med Biol Eng Comput (2006) 44: 414–426
36
Ruído em US
Amplitude em US
– Alta densidade de espalhamento
• Distribuição de Rayleigh
– Baixa densidade
Prob ( p ) =
p
σ
2
p2
exp( −
)
2
2σ
• distribuição K
Imagem c/ compressão log
– pdf: Fisher-Tippet (dupla
exponencial)
6/6/2008
37
Transdutores
6/6/2008
38
6/6/2008
39
Ultra-som: transdutores
phased-arrays
– focar (guiar) região
– diferentes geometrias
Foco
t
Transm.
Rec.
6/6/2008
40
6/6/2008
41
6/6/2008
42
zona de Fresnel
Para que um objeto seja "visível" pelo
transdutor, ele precisa estar
localizado na zona de Fresnel ou zona
próxima.
– deve-se diminuir a espessura do cristal
para aumentar a sua "profundidade de
campo", ou, alternativamente,
– aumentar o diâmetro D do cristal.
6/6/2008
43
6/6/2008
44
Ultra-som 3D: varr. Mec. tilt
6/6/2008
45
6/6/2008
46
Scan rotacional
Three-dimensional image of a
pregnant uterus with twins. The
image has been "sliced to reveal
the two gestational sacs. This
image was obtained by means of
the rotational scanning
approach using an endfiring
endovaginal transducer (SPIE
pres, Med Imag I).
6/6/2008
47
Visualização 3D
Image showing the ray-casting approach. An array of rays are cast
through the 3D image projecting the 3D image onto a plane producing a 2D
image. The rays can be made to interact with the 3D image data in different
ways to produce different types of renderings (SPIE Press, Med Imag. I).
6/6/2008
48
The 3D image of the fetal face has been rendered using a translucencyrendering algorithm with the ray-casting approach. In this image, the amniotic
fluid has been made transparent, and tissues have been made transparent or
opaque depending on the voxel intensity (SPIE Press, Medical Imaging).
6/6/2008
49
Visualização 3D: MIP
The 3D image of the kidney has been rendered using a
MIP {maximum intensity projection) algorithm with
the ray-casting approach
6/6/2008
50
Ultra-som: aplicações
Estudo de estruturas dinâmicas em uma
determinada posição.
– válvulas cardíacas no modo M
Cortes tomográficos 2D
– cardíaca
– fetal
– abdominal, ...
6/6/2008
51
Ultra-som: aplicações
Mapeamento colorido de fluxo (duplex)
– codificação do fluxo (doppler) em cores
– sobreposição em imagens 2D
– curva temporal do fluxo
Fluxo turbulento, refluxo, perfil de
velocidade
Contraste p/ US: micro-bolhas
IVUS - Intra Vascular Ultra Sound
6/6/2008
52
Aplicações Clínicas
Definição anatômica
Determinação das dimensões das cavidades,
volume, massa ventricular
Avaliação da função ventricular (índices de
ejeção)
Análise da contratilidade segmentar
(doenças isquêmicas)
6/6/2008
53
Aplicações Clínicas
Detecção de trombos, tumores cardíacos
Valvopatias
Aortopatias
Miocardiopatias
Pericardiopatias
Obstruções vasculares
6/6/2008
54
Aplicações Clínicas
Avaliação da função sistólica do VE:
-qualitativa
-semi-quantitativa
-quantitativa (fração de encurtamento,
fração de ejeção, método bidimensional)
Avaliação da função diastólica
6/6/2008
55
Aplicações Clínicas -Doppler
Estimativa do Gradiente de pressão:
∆P = 4.V2 (Equação de Bernoulli simplificada)
Estimativa da área efetiva de um orifício
estenótico
Pressure-Half Time (PHT), Equação de
Continuidade
Volume regurgitante, fração regurgitante
6/6/2008
56
Aplicações Clínicas - Doppler
Estenoses valvares (estimativa da área
valvar, gradiente transvalvar)
Insuficiências valvares
Shunt intracavitário (CIA, CIV, PCA)
Avaliação da função do VE
Cálculo da relação de fluxo entre a
circulação pulmonar e sistêmica
6/6/2008
57
Aplicações Clínicas
Detecção de shunts intracardíacos
Melhora do sinal Doppler (quantificação
das disfunções valvares)
Definição da cavidade ventricular
Perfusão miocárdica
6/6/2008
58
Eco Contraste
Tipos de contraste (solução salina agitada,
PESDA, Levovist)
Imagem Harmônica Intermitente
6/6/2008
59
6/6/2008
60
Fig. 1.5 –Perfusão cardíaca de um paciente com hipertrofia
cardiomiopática utilizando Ecocardiografia tridimensional e contraste de
microbolhas. Ramo descendente da artéria coronária esquerda (LAD)
desde sua origem na artéria coronária esquerda (em A), os ramos de
penetração no septo interventricular (IVS) (em B e C) e suas ramificações
até o miocárdio (em D).
6/6/2008
61
IVUS
6/6/2008
62
PACS: Conectividade
6/6/2008
63
O Sistema
6/6/2008
64
Comparação de modalidades?
Medicina Nuclear
Ressonância Magnética
Raio-X
6/6/2008
65
Ultra-som
Custo/benefício muito bom
+ Energia utilizada não é ionizante
+ Exames não são invasivos
+ Inerentemente tomográfico: dinâmica
+ Exames realizados pelos próprios médicos
especialistas.
− Ruído do tipo speckle (interferência de ondas
− Informações não são metabólicas, ou
fisiológicas
6/6/2008
66