Princípios Físicos do US
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Princípios Físicos do US Wilson Mathias Jr Diretor, Ecocardiografia Instituto do Coração - InCor Universidade de São Paulo Princípios da Ecocardiografia Onda de US Uma onda em física é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de onda e a periodicidade no tempo é medida pela freqüência da onda, que é o inverso do seu período. Estas duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda. Ondas de US Fisicamente uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido ou gasoso). As ondas existem em um meio cuja deformação é capaz de produzir forças de restauração através das quais elas viajam e podem transferir energia de um lugar para outro sem que qualquer das particulas do meio seja deslocada permanentemente. Transdutores Material absorvente Lente Cristal Transdutores Cristal piezoelétrico: • Titanium ou cerâmica • Gera e recebe ondas de ultrassom • Imagem: tempo de transmissão e reflexão Princípios da Ecocardiografia Transdutor Reflexão Refletor especular Refração Disperção Difração Atenuação Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound. Vol 1. 2nd ed. St. Louis: Mosby; 1998:57. Imagem com Pulso Invertido Reflexão linear Energia Fundamental e Harmônicas f1 Tecido 2f1 Freqüência 3f1 Harmonica e Filtro de Sinal 2.5 MHz Tecido 2.5-MHz transdutor 2.5 e 5 MHz Tecido + Sangue 2.5-MHz transdutor Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound. Vol 1. 2nd ed. St. Louis: Mosby; 1998:57. Imagem em Segunda Harmônica Transdutor Filtro 2 F0 MHz F0 MHz F0 MHz (tecido) 2 F0 MHz (contraste) 2 F0 MHz Imagem em segunda Harmônica Fundamental vs Harmonica Tecidual Images courtesy of the Mayo Clinic and Acuson Corporation. Foco e campos Ultra-sônicos Distancia Focal Elementos piezoelectricos Distancia Focal Ondas de Ultrasom produzidas pelo transdutor Area focal Campo proximal: • Melhores imagens • Incidência perpendicular Campo distal: • Detecção difícil das estruturas • Incidência oblíqua Transdutores Simples: • pulsos alternados (M-Mode) Mecânicos: • Um ou mais cristais • Bom sinal • Doppler limitado • Problemas técnicos freqüentes Anulares: • 2 cristais circulares • Recepção e transmissão Transdutores Eletrônicos: • Cristais em série • Bom sinal e Doppler • Problemas técnicos infrequentes Transdutores Unidimensional Bidimensional Bidimensional - Artefatos ARTEFATO MECANISMO EXEMPLOS Imagem inadequada Penetração pobre do Obesidade, DPOC Ultrassom Sombra acústica Reverberações Reflexão por uma Prótese valvar, estrutura especular calcificação Propriedade refletora Prótese valvar Do ultrassom Refração Desvio do sinal do ultrassom Dupla imagem Artefatos - Sombra Acústica Artefatos - Reverberação Johann Christian Andreas Doppler Físico Austríaco 29/11/1803 – 17/03/1853 Salzburg Viena Diretor do Instituto de Física e professor de Física Experimental na Universidade de Viena. Sobre as Cores da Luz Emitida pelas Estrelas Duplas (Über das farbige Licht der Doppelsterne), 1842 “Efeito Doppler” “Efeito Doppler” “Efeito Doppler” onde: λ = comprimento de onda de uma onda sonora c = velocidade do som no ar = 343 m/s a 20 °C (68 °F); f = frequência da onda 1/s = Hz. Equação Doppler C = Velocidade do som no sangue Ft = Frequência do transdutor Fs = Frequência refletida Θ = Angulo entre o feixe de US e o Fluxo sanguínio Modalidades “Efeito Doppler” Modalidades Doopler Pulsátil Modalidades Doopler Pulsátil Doppler Contínuo Map. Fluxo em Côres Modalidades Doopler Pulsátil Tecidual Equação de Bernoulli Daniel Bernoulli Conversão de Velocidade em pressão Matemático Holandês 08/02/1700 – 17/03/1782 Groningen 2 ∆ P = 4V Ganhou mais de 10 Prêmios da academia de París desde Temas sobre Magnetismo até Temas Náuticos Daniel Bernoulli, 1738 Basel Equação de Bernoulli Conversão de Velocidade em pressão Para um Fluxo que é: 1) sem viscosidade (como o fluxo sanguínio é); 2) através de um orifício restritivo (Componente inercial dispresível e; 3) com V1 >>> V2, reduzindo a fórmula a: ∆ P = 4V2 ∆ P = 4V2 Componente Inercial Dissipação Viscosa Aceleração conectiva Daniel Bernoulli, 1738 Daniel Bernoulli, 1738 Equação de Bernoulli ∆ P = 4V2 ∆ P = 4x52 = 100mmHg Cálculos de Fluxo π.r 2 X X Princípios da Ecocardiografia Contrastada Agentes de Contraste Proteína Sacarídeo Lipídeo Ar Gás Possuem cinética semelhante a das hemácias – – – – – – – ALBUNEX Levovist Definity Optison PESDA Acusphere Bisphere Princípios da Ecocardiografia Contrastada Imagem em Segunda Harmônica Transdutores reflexão Refletor especular Hemácias atenuação refração Princípios da Ecocardiografia Contrastada Reologia das Microbolhas Microbolhas estáveis e de tamanho adequado para passar pelos pequenos capilares pulmonares. Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound.; 1998 Lindner JR et al J Am Soc Echocardiogr 15;(5):395-403, 2002. Princípios da Ecocardiografia Contrastada Reologia das Microbolhas Microbolha 1-8 µm Cheng et al. Am J Cardiol. 1998;81:41G. Hemácia 6-8 µm Princípios da Ecocardiografia Contrastada Mecanismo de Ação das Microbolhas • Aumentam a reflexão do sinal provindo do sangue • Ressona em frequências utilizadas para Ultra-som diagnóstico Burns PN. Diagnostic Ultrasound. 2nd ed. St. Louis, Mo: Mosby; 1998:57-84. Princípio da Harmônica Com Contraste 1.2 1 Amplitude 0.8 Tecido 0.6 Bolhas 0.4 0.2 0 0 2 4 Frequência (MHz) 6 8 Resonancia em Frequência Fundamental “Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real” Ressonância US Refletido Espectro Refletido f0 Linear ou IM < 0,2 Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound. Vol 1. 2nd ed. St. Louis: Mosby; 1998:57. de Jong et al. Ultrasonics. 1994;32:455. f Comportamento das Microbolhas no Campo US Ressonância Linear Sinal Fundamental Ressonância Não-Linear Sinal Harmônico Sinal Transitório Sinal Harmônico Intenso Baixa Energia - IM 0,1 Energia Intermediária - IM 0,4 a 0,8 Alta Energia – IM > 0,8 Burns PN. Diagnostic Ultrasound. 2nd ed. St. Louis, Mo: Mosby; 1998:57-84. Microbolhas e Harmônica Espectro Refletido f0 f0 f 2 f0 f Harmônica e Filtro de Sinal Sinal Refletido Sinal transformado em Imagem Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound. Vol 1. 2nd ed. St. Louis: Mosby; 1998:57. Marcador da microcirculação 9 Método não invasivo ideal avaliação da perfusão miocárdica 9 Microbolhas possuem cinética semelhante a das hemácias Kaul S et al. Circulation 1997;96:45-60 de Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real 9 Utiliza baixa energia ultra-sônica 9Avalia de forma simultânea a contração e perfusão miocárdica 9 Identifica as áreas de infarto (sem perfusão) 9 Modalidades: 9 Pulsos com Energia modulada 9 Pulsos com invertida 9 Cancelamento de pulso 9 “Flash” com alto índice mecânico Interação US - Microbolha Tempo para reperfusão A Time t1 B t2 C t3 D t4 Kaul et al. Circ 1998; 97: 473-483 E t5 “Intensidade Acústica” A Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real Velocidade Média de fluxo (β) Volume Sangüineo (A) t Wei et al Circulation 29;103(21):2560-5, 2001. Kaul et al. Circulation 97: 473-483, 1998. Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real Marcador de Perfusão Microvascular • 33% do volume Miocádico é Sangue. • 33% do volume Miocádico é Sangue 90% do Sangue Capilares Wei et al Circulation 29;103(21):2560-5, 2001. Kaul et al. Circulation 97: 473-483, 1998. Quantificação do Fluxo Miocárdico Absoluto em Seres Humanos y (t) = A x (1 – e –β x t) Wei et al Circulation 29;103(21):2560-5, 2001. Kaul et al. Circulation 97: 473-483, 1998. Quantificação do Fluxo Miocárdico em Seres Humanos FSM = (A / ALV x β) ρΤ = rBV x β ρΤ Valores normais ρΤ = 1,05 MBF (Basal) = 0,828 + 0,318 ml x min-1 x gr-1 MBF (Hiperemia) = 2,801 + 0,832 ml x min-1 x gr-1 Vogel R et al., J Am Coll Cardiol 45:754-762, 2005. MBF MCE [ml.min-1.g-1] 2.0 1.5 1.0 0.5 y=0.899x+0.079; r2=0.88 P<0.0001, SEE=0.112 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 MBF PET [ml.min-1.g-1] 30 Patients e 15 normais 2.0 (MBF PET -MBFMCE) [ml.min-1.g-1] Quantificação do Fluxo Miocárdico Absoluto em Seres Humanos 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 MBF PET [ml.min-1.g-1] Vogel R et al. J Am Coll Cardiol; 2005: 45: 754-62 Princípios da Ecocardiografia Contrastada Obrigado Características das Ondas de US Reflexão - Quando uma onda volta para a direção de onde veio, devido à batida em material reflexivo. Refração - A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio. A velocidade da onda varia, pelo que o comprimento de onda também varia, mas a frequência permanece sempre igual, pois é característica da fonte emissora. Difração - O espalhamento de ondas, por exemplo quando atravessam uma fenda de tamanho equivalente a seu comprimento de onda. Ondas com baixo comprimento de onda são facilmente difractadas. Interferência - Adição das amplitudes de duas ondas que se superpõe. Dispersão - a separação de uma onda em outras de diferentes freqüências. Vibração - Algumas ondas são produzidas através da vibração de objetos, produzindo sons. Exemplo: Cordas ( violão, violino, piano, etc.) ou Tubos (orgão, flauta, trompete, trombone, saxofone, etc.)
