Post on 18-Apr-2015
Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicos
e Aplicações
SEL 705 - Fundamentos Físicos dos Processos de Formação de Imagens
Professor: Dr. Homero Schiabel
Aluna: Paula Zitko
Índice
Intervalos Sonoros; Histórico;
– Ecolocalização em Golfinhos;– Sonar;
Características do Som;– Expansão e Contração;– Comprimento, Amplitude, Período e Velocidade;– Freqüência;
Fenômenos Sonoros; Scanner e Transdutores; Formação da Imagem; Aplicações
O que é o Ultra-Som?
Vibração Sonora;
freqüência acima daquelas que podem ser detectadas pelo ouvido humano (20 mil ciclos por segundo);
Usado clinicamente em várias especialidades: obstetrícia, odontologia, fisioterapia, estética, ginecologia;
Não emite radiação ionizante (causa efeitos biológicos)
Ultra-Som X Intervalos Sonoros
20Hz 20000Hz
Infra-Sons
Ultra-Sons
Audição Humana
Elefantes(2 km)
Cão, morcegoE golfinho
Histórico
Pioneiros
1794 – Lazzaro Spallanzini (orientação dos morcegos) - ecolocalização
1880 - Jacques e Pierre Curie (caracterização física de alguns cristais)
– Apito de cachorro (10 a 40 KHz)
O estudo do ultra-som foi impulsionado com objetivos militares e industriais
– 1917 - construção do SONAR
Apito para cães
Sonar - Sound Navigation And Ranging
Paul Langevin (físico Francês – 1917) - localizar submarinos alemães
Não foi usado antes do final da primeira guerra mundial (1914–1918)
Esquema simplificado do sonar – O aparelho emite ultra-sons (em vermelho) que atingem o objeto (em azul), sendo refletidas sobre a
forma de eco (em verde) e voltando ao aparelho receptor. Com base no tempo entre a emissão e a recepção, é calculada a distância (r)
Pioneiros
Douglas Howry W. Roderic Bliss,
1948-1949 - primeiro sistema com objetivo médico
1950 - primeira imagem seccional
Imagens em preto e branco e sem gradações
Fim da 2ª Guerra Mundial => Pesquisa em aplicações médicas
Pioneiros
Kossof (Austrália)
1971 - introdução da escala de cinza na imagem - diversos níveis de intensidade de ecos são representados por diferentes tons de cinza
1980 - 1990 - impulso da ultra-sonografia pelo desenvolvimento tecnológico, transformando-a em um importante método de investigação diagnóstica
Características do Som
O que é o Som?
Som = Vibração da matéria;
Transmissão: Meios materiais
Meios elásticos
Propagação do Som
Objeto vibra = O movimento das partículas carrega e transmite a vibração.
Expansão - compressão e corresponde à pressão máxima da propagação sonora
Contração - rarefação e corresponde à pressão mínima da propagação sonora.
Esquema de Onda Sonora
Individualmente as ondas sonoras são caracterizadas por:
O comprimento de onda , é a menor distância
que vai de uma crista à outra ou de uma depressão à outra.
A amplitude é a distância que vai de uma crista ao eixo de propagação da onda. Pode ser também a distância do ponto máximo da depressão ao eixo de propagação.
Período é o tempo gasto para que uma oscilação seja completada. No exemplo da figura 2, o período é de 1 segundo.
A velocidade de propagação das ondas é constante para um determinado meio.
Esquema de Onda
Velocidade da propagação do som em diversos meios
Meio Velocidade (m/s)
Ar 330
Água doce 1435
Sangue 1560
Músculo 1570
Gordura 1580
No vácuo, onde não existe o indispensável meio material que o transporte, o som não se propaga.
Freqüência de uma Onda
A freqüência = número de oscilações por segundo; A unidade é chamada de hertz (Hz). As ondas tem a mesma freqüência da fonte emissora,
independente do meio em que se propaga; Período (inverso da freqüência);
Esquema de Onda
F=1/T
T=1/F
Ex: onda de 20 HZ
Fenômenos Sonoros
Interface:
Transmitida;
Refletida;
Refratada...
Onda Sonora
•Comportamento do som;
Reflexão
Quando encontra um meio que não pode ser contornado a onda "bate e volta“;
Mudança de direção de propagação da energia ; Retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é
oriunda; O ângulo de incidência tem valor igual ao valor do ângulo de
reflexão;
USO: A reflexão luminosa é a base da construção e utilização dos espelhos.
Diagrama simples ilustrando o fenômeno da reflexão.
Ângulo deIncidência
Ângulo deReflexão
Normal
Reflexão
Reflexão => Reforço, Reverberação e Eco;
Ouvido humano capaz de discernir 2 excitações breves e sucessivas em um intervalos maior ou igual a 1/10 segundo;
Reforço
o som refletido chega ao tímpano antes do décimo de segundo;
reforça a excitação do tímpano e reforça a ação do som direto.
Reverberação
o som breve refletido chega ao ouvido antes que o tímpano, já excitado pelo som direto, tenha tempo de se recuperar da excitação (fase de persistência auditiva).
Chama-se reverberação o fato de tantas reflexões chegarem ao ouvinte que ele não as pode distinguir umas das outras.
É a chamada continuidade sonora e o que ocorre em auditórios acusticamente mal planejados.
Eco
reflexão de som que chega ao ouvinte pouco tempo depois do som direto;
obstáculo necessita estar a mais do que 17 metros de distância=> velocidade do som no ar (340 m/s)
Exemplos: eco produzido no fundo de uma escadaria, por um edifício, ou em uma sala, pelas paredes;
Refração
A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio; alteração da direção do feixe transmitido em relação ao feixe incidente; passagem da onda por meios com diferentes índices de refração; mudança no comprimento e velocidade, freqüência permanece a
mesma;
Note como o cano verde parece se quebrar dentro
dos copos
Refração do ar para a água
- Falta de ângulo impede a refração e leva à reflexão
Difração
•A onda tem a capacidade de contornar obstáculos;
•A difração sonora é imensa por ter seu comprimento muito grande - enorme quando comparado com o comprimento de onda da luz
Interferência
representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto;
Interferência Construtiva
caráter de reforço quando as fases combinam (interferência construtiva).
Exemplo: Quando escutamos música em nosso lar, percebemos que certos locais no recinto é melhor para se ouvir a música do que outros. Isto é porque nestes pontos as ondas que saem dos dois alto-falantes sofrem interferência construtiva
Interferência construtiva
Interferência Destrutiva
caráter de aniquilação, quando as fases não são as mesmas (interferência destrutiva)
Ex: Ao contrário, os locais onde o som está ruim de ouvir é causado pela interferência destrutiva das ondas.
Fig.11 - Interferência destrutiva
Impedância
Todo meio material elástico oferece uma certa "resistência" à transmissão de ondas sonoras;
Mesma impedância => não há reflexão (toda transmitida);
É a diferença de impedância acústica entre dois tecidos que define a quantidade de reflexão na interface, promovendo sua identificação na imagem;
– Ex: um nódulo no fígado será mais facilmente identificado se sua impedância acústica for bastante diferente do parênquima hepático ao redor;
quanto maior a diferença de impedância entre duas estruturas, maior será a intensidade de reflexão
Impedância acústica de alguns materiais
Material (106 Rayls)
Ar 0,0004
Gordura 1,38
Água 1,48
Músculo 1,70
Outros tecidos moles 1,63
Osso 7,80
Ex: a diferença de impedância entre o ar e os tecidos moles, que justifica a necessidade do gel de acoplamento acústico utilizado para aumentar o contacto entre a pele e o transdutor, caso contrário o feixe seria refletido.
Efeito Doppler
som é gerado ou refletido por um objeto em movimento;
Há mudança na percepção do som;
Scanner e Transdutor
Equipamento Scanner
• Processo onde lança ondas de som em um corpo;• as reflexões das ondas de som são capturadas por uma máquina, que as transforma então em uma imagem que pode ser lida;•O Ultra-som é um recurso que não envolve o uso de radiação ou qualquer tipo de soluções de contraste que precisam ser engolidos ou injetados;• Este é com certeza um método seguro, rápido e muito efetivo para certos tipos exames médicos.
Transdutores
FG-32ua (by Pentax ®)Transdutor Endoscópico
EUP-OL334Transdutor Laparoscópico
EUP-ES322EUP-ES533Transdutores Trans-Esofágicos
C3-7ED - SonoAceTransdutor Convexo
Transdutores e Elementos piezoelétricos
Elementos piezoelétricos Emite eletricidade
Transforma energia elétrica em mecânica (onda sonora)
efeito piezoelétrico inverso
transmissores e receptores simultaneamente.
Transdutores
•Produz e recebe ecos (normalmente 1% da onda emitida);
•Quanto maior a freqüência, menor o comprimento da onda sonora e melhor a resolução espacial;
•transdutores (de 3,5MHz) : exame de tecidos profundos, como o abdômen, útero;
• transdutores (maiores que 7,5MHz): exame de tecidos superficiais, como a mama, tireóide, pele, testículo, etc.
Esquema simplificado de transdutor com elemento cerâmico único
Transdutores
Transdutores - Funcionamento
Meio homogêneo – propagação em linha reta;
Meio Heterogêneo – as ondas são refletidas a cada densidade diferente, retornando ecos;
Emissor e receptor;
Ecos provenientes de interfaces perpendiculares às ondas são recebidos;
De acordo com o tempo de emissão e recepção, estabelece-se a profundidade da imagem;
quanto mais longe está a estrutura da superfície do transdutor, ela aparecerá em situação mais inferior na tela.
Esquema ilustrativode um transdutor.
Formação de imagens por Varredura
Existem vários métodos para se extrair uma imagem a partir dos ecos:
A-MODE (amplitude mode); B-MODE (brightness mode); M-MODE (motion mode).
Informações espaciais
Informações sobre movimento/velocidade
Muitos equipamentos podem operar com uma combinação dos modos
Modo A – Amplitude
Mais antigo (1930);
fornece informações unidimensionais;
muito utilizado em oftalmologia;
Diagnostica tumores, corpos estranhos e descolamento da retina;
Modo A – Amplitude
Usa um transdutor que emite um pulso no tecido, o sistema então, lê e plota ao longo do tempo os sinais que retornam;
Características:
Detecção das reflexões nas interfaces; Tempo de ida-volta proporcional à profundidade de
cada interface; Produz uma única imagem de ecos recebidos de
apenas uma posição da sonda;
Modo B - Brilho
mais utilizado; imagens em duas dimensões; Os princípios são os mesmos
daqueles do mapeamento A exceto que o transdutor é movimentado;
estabelece informação sobre a estrutura interna do corpo;
tem sido usado no diagnóstico do fígado, mama, coração e feto;
pode detectar gravidez muito cedo, e pode estabelecer informação sobre anomalias uterinas.
Ultra-som de mama
Ultra-som no acompanhamento gestacional
Modo M – Movimentação Temporal
gráficos de movimentação temporal;
bastante empregado em ecocardiografia;
O modo M combina certas características do modo A e o modo B;
O transdutor é mantido estacionário como no modo A e os ecos aparecem como pontos no modo B.
Ecocardiografia em Modo M - ambos ventrículos rodeados
de abundante derrame pericárdico
As principais peculiaridades do método ultra-sonográfico são:
– é um método não-invasivo ou minimamente invasivo;
– as imagens seccionais podem ser obtidas em qualquer orientação espacial;
– não apresenta efeitos nocivos significativos dentro do uso diagnóstico na medicina;
– não utiliza radiação ionizante;
– a aquisição de imagens é realizada praticamente em tempo real, permitindo o estudo do movimento de estruturas corporais.
Principais Aplicações
Aplicações no Diagnóstico da Mama
Método de complementação de imagens mais importante no diagnóstico da mama;
Emprego: – Diagnóstico de cistos;– Avaliação de lesões sólidas;– Comprovação de carcinomas;– Marcação pré-operatória;
Ultra-som da mama
Diagnóstico de Cistos
Comprovação ou não da existência do cisto; Taxa de acertos 100%; Empregado para a avaliação de achados
palpáveis; Quando há a evidência de um ou mais
cistos, e desde que não exista nenhuma outra imagem adicional (micro calcificações), geralmente não há necessidade de partir para um procedimento cirúrgico;
Evita biopsias desnecessárias em cistos simples.
Ultra-som da mama com nódulo
Diferenciação entre achados sólidos (benignos/malignos)
Diferenciação entre carcinoma e fibroadenoma;
Ultra-som é usado como método complementar quando os achados – geralmente palpáveis, não são completamente delimitáveis do ponto de vista mamográfico no tecido denso;
Comprovação de Carcinomas
Carcinomas hipoecóicos, situados em tecido rico em gordura, a detecção geralmente é prejudicada - ecos de baixa intensidade (cinza escuro); (mamografia);
Tecido bastante ecogênico (imagens cinza-claras), os carcinomas (maioria pouco ecogênico), são facilmente identificáveis;
Aplicação na Ginecologia
•Verificar o tamanho de útero e os ovários;
•Avaliar diagnósticos de Patologias Mamárias;
•Avaliar possíveis existências de tumores malignos no útero e ovários;
•Gerenciar infertilidade dos ovários; Ultra-som endovaginal
Ultra-som transvaginal
Aplicação na Obstetrícia
•Confirmar a gravidez;•Determinar a idade do feto;;•Avaliar se há gravidez múltipla;•Avaliar o bem estar fetal;•Detectar mal formações fetais;•Realizar “check up” morfológicos nos órgãos fetais;•Determinar com precisão o sexo do feto;•Ajudar o obstetra na decisão de ter que fazer um parto mais cedo ou não, quando a gravidez é de risco
Ultra-som fetal
Ultra-som 3D de Gêmeos Uni vitelinos
Aplicações : Ultra-Som 2 D
Método Convencional;
O ultra-som é feito inicialmente pelo modo bidimensional (crescimento e morfologia do feto);
depois são feitas as reconstruções tridimensionais;
A diferença entre o que é visto num ultra-som comum e no 3D é a mesma de um desenho só com o contorno e outro pintado e finalizado;
Aspecto de meningomielocele
Aplicações : Ultra-Som 3 D
inovação do método 2D;
imagens obtêm uma qualidade quase fotográfica;
ajuda a avaliar tumores e a verificar o volume dos órgãos;
a possibilidade de olhar o bebê em 360 graus também melhora muito o vínculo afetivo entre mãe e filho
Aspecto de meningomielocele
Aspecto de meningomielocele ao ultra-som convencional e ultra-som 3D.
Aspecto de meningomielocele
Vantagens do Ultra-som 3D
mais fácil saber o sexo do bebê; imagens mais reais; detalhes de malformações; Identifica se bebês gêmeos estão na mesma placenta
ou não; posição do feto se o cordão umbilical está em torno do
pescoço; mais preciso no diagnóstico do câncer de mama em
jovens; capaz de identificar melhor certas anomalias do útero.
Limitações Ultra-som 3D
precariedade da avaliação das estruturas fetais internas;
Aplicações : Ultra-Som 4 D
O ultra-som 4D é a imagem do 3D gerada em tempo real;
O 1º equipamento que realiza Ultra-Som 3D em tempo real (4D), foi lançado no mercado internacional em outubro de 2001;
Medicina Interna
Abdome– Fígado– Vias Biliares– Pâncreas
Tireóide
Ultrasonografia da tireóide
Cardiologia
Doença coronariana; Doenças do músculo
cardíaco; Doenças do pericárdio; Tumores cardíacos;
Cardiopatia hipertensiva; Doenças cérebro-vasculares
Ecocardiografia fetal – demonstrando aneorisma do átrio
direito - AN
Caracterização do Tecido Ósseo
Diagnóstico de osteoporose; Mais simples que os métodos de
densitometria óssea por raio X; A velocidade de propagação das ondas de
ultra-som é medida somente dentro do osso, sem a contribuição de o tecido mole que o rodeia.
Oftalmologia
Detecta membranas muito finas; detecta pequenos tumores mostrando características
internas do tecido. Consegue captar imagens em tempo real com
movimento das membranas intra-oculares ou tração vítreo-retiniana.
Ultra-sonografia Oftalmológica no modo B
Ultra-som com Doppler
informações quantitativas e qualitativas quanto a seu fluxo sangüíneo;
possui grande número de aplicações das quais podemos citar a avaliação de:
– doenças venosas tromboembólicas; – lesões ateroscleróticas obstutivas das
artérias; – pacientes pós transplante renal; – infertilidade e desenvolvimento precoce
do embrião ;– fluxo vascular em processos
neoplásicos .
realiza pela cor e por gráficos, a medida do fluxo das artérias e veias.
Hepatocarcinoma e aspecto característico dos vasos nutridores
Efeitos biológicos do Ultra-som
efeitos fisiológicos do calor: Aumento no metabolismo; Vasodilatação; Diminuição da viscosidade dos líquidos; Mas o US não produz apenas calor, mas também:
micro-massagem (redução de edema); Correntes acústicas (pode aumentar a
permeabilidade nas células); Ondas estacionárias; aumento das taxas de difusão
de íons através das membranas celulares.
Vantagens
Relativamente barato (U.S convencional);
Rápido;
Imagens em tempo real;
É possível gravar imagens duvidosas para análise posterior;
Isento de risco (faixa Terapêutica);
Desvantagens
Depende muito da habilidade do operador do aparelho;
Resolução espacial muito abaixo daquela obtida com TC e RMN;
Bibliografia
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Empresa Siemens, http://www.siemens.com/, acesso em 052007
Ensino de física à distância, Bertulani C. A, http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/ondas2/ondas2.html, acesso em 21/05/2007
Fundação Odontológica de Ribeirão Preto - FORP – USP. Ultra-som. Disponível em ttp://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm#Intro. Acesso em 28/03/07.
KÖBRUNNER, Sylia H. Heywang, SCHREER, Ingrid, DERSHAW, D. David, FRASSON, Antonio. MAMA Diagnóstico por Imagem. Rio de Janeiro: Revinter, 1999. 412p
MedSom – Equipamentos médicos. Disponível em: http://www.medson.com.br/. Acesso em 25/04/2007
NEPOMUCENO, L. X., Tecnologia Ultra-Sônica. Editora Edigar Blücher Ltda. 1980
Reseller Web – Mídia de Negócios. Disponível em: http://www.resellerweb.com.br/noticias/artigo.asp?id=90093. Acesso em 06/04/2007
ROCHA,DC, BAUAB, SP. Atlas de Imagem da Mama. Editora Savier. 1995.
Terra Notícias, Disponível em : http://noticias.terra.com.br/ciencia/interna/0,,OI920212-EI238,00.html. Acesso em 02/04