Princípios Físicos do Ultrassom

Princípios físicos de Ultrasonografia
PTC - 5750
6/15/2006
1
O que sabemos?
Tipo de energia?
Tipo de interação com o corpo humano?
Alguma semelhança com radar?
Invasivo?
Ionizante?
Projeção?
Vantagens/Desvantagens/Limitações?
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2
SONAR
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3
Radar metereológico
•É tomográfico?
•morfologia e velocidade
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4
Corte tomográfico por reflexão
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Tomografia
Reconstrução tomográfica a partir das
projeções
– CT, Spiral CT, fastCT
– SPECT
– PET
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ULTRA-SONOGRAFIA
Modo Bidimensional
Modo M
Doppler
Mapeamento de fluxos a cores
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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
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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.
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Princípios físicos: energia
–
–
–
–
–
–
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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
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Ondas de compressão e rarefação
formando ondas sonoras
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Onda sonora e curvas de variação
do deslocamento e da pressão
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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
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Transdutor: geração e recepção
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Princípios físicos
– Impedância acústica
– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )
– Z=ρ. v (Impedância=densidade x veloc.)
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Mergulhando em alta impedância
Hg
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Princípios físicos
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
frequência
=> µ
I = I 0 .e
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− µ .x
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Aumento de 2 x em frequencia ?
No caso da água, a atenuação aumentou 3 x
I = I 0 .e
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− µ .x
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Princípios físicos
–
–
–
–
–
–
–
–
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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 )
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Efeito piezoelétrico
Piezoeletricidade:
Tensão alternada produz oscilações
nas dimensões do cristal, devido ao re-alinhamento
das moléculas polarizadas
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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)?
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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
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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
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modo A (Amplitude)
Transdutor
v
d
t
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
I = I 0 .e
− µ .x
•espalhamento
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Modo B (Brilho)
modo A em tons de cinza com varredura
102
115
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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
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Modo M (Movimento)
– modoA dinâmico em tons
de cinza
t1
t2
t
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Efeito Doppler
Fluxo e velocidade
∆ f
= 2
f0
. c o s (α ). v
c
transd.
α
feixe
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vaso
pele
fluxo
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Velocidade absoluta ?
• Como obter o ângulo de incidência ?
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Modo duplex
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31
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32
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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 )
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Ruído em Ultra-som
Speckle
• interferência entre ecos
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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 )
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P. Loizou et al. Med Biol Eng Comput (2006) 44: 414–426
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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)
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Transdutores
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38
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39
Ultra-som: transdutores
phased-arrays
– focar (guiar) região
– diferentes geometrias
Foco
t
Transm.
Rec.
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41
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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.
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44
Ultra-som 3D: varr. Mec. tilt
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45
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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).
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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).
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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).
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Visualização 3D: MIP
The 3D image of the kidney has been rendered using a
MIP {maximum intensity projection) algorithm with
the ray-casting approach
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Ultra-som: aplicações
Estudo de estruturas dinâmicas em uma
determinada posição.
– válvulas cardíacas no modo M
Cortes tomográficos 2D
– cardíaca
– fetal
– abdominal, ...
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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
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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)
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Aplicações Clínicas
Detecção de trombos, tumores cardíacos
Valvopatias
Aortopatias
Miocardiopatias
Pericardiopatias
Obstruções vasculares
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Aplicações Clínicas
Avaliação da função sistólica do VE:
-qualitativa
-semi-quantitativa
-quantitativa (fração de encurtamento,
fração de ejeção, método bidimensional)
Avaliação da função diastólica
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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
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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
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Aplicações Clínicas
Detecção de shunts intracardíacos
Melhora do sinal Doppler (quantificação
das disfunções valvares)
Definição da cavidade ventricular
Perfusão miocárdica
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Eco Contraste
Tipos de contraste (solução salina agitada,
PESDA, Levovist)
Imagem Harmônica Intermitente
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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).
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61
IVUS
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62
PACS: Conectividade
6/15/2006
63
O Sistema
6/15/2006
64
Comparação de modalidades?
Medicina Nuclear
Ressonância Magnética
Raio-X
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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
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