Princpios de UltrassomProf. Emery Linsemery.lins@ufabc.edu.brSUMRIOAULA 1 - Princpios de Ultrassom- Introduo- Princpios fsicos- Transdutores- Sistemas de Imagens de UltrassomAULA 2 Aplicaes da UltrassonografiaIntroduoA idia de utilizar o eco das ondas sonoras como forma de deteco de objetos (ecolocalizao) data do incio do sculo XX aps estudos com golfinhos e morcegos.Aps a 1o. Guerra Mundial este princpio passou a ser utilizado em instrumentos de navegao em profundidade aquticas utilizando ondas sonoras, originando o SONAR (SOund Navigation and Ranging) em 1917.Em 1941 esse princpio foi aplicado na navegao area com ondas de rdio-frequncia, a qual originou o RADAR (RAdio Detection and Ranging).IntroduoSomente aps a 2o. Guerra Mundial cresceu o interesse do uso de ecos de ondas de som na medicina.Os mdicos Douglas Howry e D. Ronderic Bliss foram pioneiros ao realizar estudos com ultrassom. Em 1949 desenvolveram o primeiro sistema com objetivo mdico e em 1950 realizaram a primeira imagem mdica com ultrassom.Os primeiros estudos revelaram a necessidade de pulsos curtos (com perodo tau) e repetidos (perodo de repetio PR) para determinar a localidade da interface dos tecidosPrincpios fsicosOndas de ultrassom so ondas mecnicas com freqncia acima da faixa de audio humana (> 20KHz).Por ser onda mecnica, ela precisa de um meio para propagar, e a velocidade de propagao da onda depende das propriedades de cada meio.O ultrassom se propaga pela vibrao do meio; logo, depende da presso exercida pela onda e das propriedades de vibrao dopresso exercida pela onda e das propriedades de vibrao do meio.Fonte: http://telecom.inescn.pt/research/audio/cienciaviva/natureza_som.htmlPrincpios fsicosCaractersticas bsicas das ondas de ultrassom: O comprimento de onda distncia entre dois mximos (ou mnimos) consecutivos. A amplitude revela o comportamento da presso exercida no meio (expanso ou conpressoquando a amplitude mxima). Perodo o tempo gasto para que uma oscilao seja completada. Ele introduz o conceito defrequncia que a taxa de repetioes que ocorrem em um intervalo de tempo definido. A velocidade de propagao das ondas a relao entre o comprimento de onda e o perodo A velocidade de propagao das ondas a relao entre o comprimento de onda e o perodode oscila; constante para um determinado meio.Fonte: J. Ederle, S. Blanchard e J. Bronzino. Introduction to Biomedical Engineering. 2ndEd.Princpios fsicos1435 gua doce330 ArVelocidade (m/s)Meio1580 Gordura1570 Msculo1560 Sangue1435 gua doceFonte: Schiabel, H. Notas de aula da disciplina: Princpios de Imagens Mdicas.Princpios fsicosUma caracterstica tambm intrnseca de cada meio a suaImpedncia acstica:Ela demonstra a resistncia do meio em extender e contrair de acordocom a presso exercida pela onda acstica.Por definio:Z=ponde Z a impedncia caracterstica do meio, p a presso exercidapela ultrassom e v a velocidade de uma partcula.Z=pvPrincpios fsicosA definio considera um sistema onde a presso aplicada sobreuma nica partcula do meio.Agora se considerarmos todas as partculas do meio, de forma que a rea sob presso a rea total do meio, e adicionarmos a informao de deslocamento das partculas a impedncia pode ser vista como funo dadeslocamento das partculas a impedncia pode ser vista como funo da densidade do meio.Z=pc0=m.aarea.1c0=marea . d. dTZ= . c0[ kg/ m2. s]=[ Rayls ]1,48 gua1,38 Gordura0,0004 Ar(106Rayls)MaterialPrincpios fsicos7,80 Osso1,63 Outros tecidos moles1,64 Msculo1,48 guaPrincpios fsicosVamos investigar o que ocorre na interface entre dois meios diferentesInicialmente apresentamos a equao de propagao de onda em ummeio qualquer. Neste caso, em funo da presso da onda:Este formalismo considera uma onda propagante como a combinao de ondas que caminham em sentidos opostos. Por isso, deve-se considerar oondas que caminham em sentidos opostos. Por isso, deve-se considerar o numero de onda k. Alm dessa expresso, devemos relembrar:Princpios fsicosNa interface entre os dois meios, teremos:e para uma onda qualquer no meio 1 a expresso de propagao pode ser re-escrita da forma:Onde RF o fator de reflexo da interface. Porm a onda propagando no meio 2 observa a interface como fonte, de forma que:Princpios fsicosEntretanto, a velocidade das partculas no meio 2 depende do fator dereflexo, da presso inicial e da impedncia do meio 1. Assim:dessa forma temos que:e com manipulao matemtica, encontra-se:Por fim, define-se o fator de transmisso (TF) da forma:Princpios fsicosEm uma nova configurao, os ngulos de incidncia, reflexo erefrao do ultrassom deve ser considerado:Na interface a velocidade das partculas e a presso so contnuas, de forma que na direo x (perpendicular propagao):Princpios fsicosE como soluo encontrada a igualdade dos ngulos de incidncia ereflexo, alm da lei de Snell para ultrassom:J na direo z (propagao da onda), temos:Dessa forma, entende-se que h uma impedncia efetiva para cada onda, que depende do ngulo de incidncia (meio 1) e do ngulo de transmisso (meio 2):Princpios fsicosNesta configurao, o fator de reflexo passa a ser:e o de transmisso passa a ser:IRMeio 11Z2ZLei de Snell:Princpios fsicosTMeio 22ZCoeficientes de Reflexo e Transmisso (Intensidade): Princpios fsicosExerccio 1: Calcule o fator de reflexo de uma ultrassom passandoperpendicularmente da gua para um msculo e da gua para umosso. Que informao pode ser obtida destes valores?Exerccio 2: Para uma onda incidente em uma interface entre gua emel, determine o fator de reflexo a 45 e a 50 a velocidade dosom para a gua (meio 1) e para o mel (meio 2) so de 1.48 km/s e2.05 km/s e de 1.48 Mrayls e 2.89 MRayls 2.05 km/s e de 1.48 Mrayls e 2.89 MRaylsPrincpios fsicosUma outra propriedade fsica relevante para as imagens de ultrassom a absoro da onda pelos tecidos.Quando o ultrassom se propaga no meio h perdas de sua energia por diversos fatores como atrito, presso e estresse, os quais convertem essa energia cedida pela onda em calor local.Essas perdas de energia caracterizam a absoro da onda pelo tecido. Em geral cada tecido possui um coeficiente de absoro particular.A lei que governa a absoro do ultrassom pela estrutura a lei de Beer e determina a amplitude da onda como funo da profundidade de penetrao da ondaPrincpios fsicosO coeficiente de atenuao frequentemente apresentado emunidades de decibis por centmetro (dB/cm).Porm os dados experimentais tambm tem revelado que a absorodo meio depende da freqncia de oscilao do ultrassom, de formaque:onde o expoente da lei de potncia. Por fim, a amplitude doultrassom passa a ser regida pela equao:A absoro um dos fatores que limita a penetrao da ultrassom nostecidos.TransdutoresUm transdutor de ultrassom gera ondas acsticas pela converso deenergia trmica, eltrica ou magntica, em energia mecnica.A tcnica mais eficiente para gerar ultrassom na faixa de aplicaesmdicas atravs do efeito piezoeltrico.O efeito piezoeltrico foi inicialmente demonstrado por Jacques ePierre Currie em 1880.Neste experimento, eles observaram um potencial eltrico nosterminais de um cristal de quartzo quando o mesmo sofria umestresse mecnico.O efeito piezoeltrico inverso tambm foi observado, de forma que seum potencial era aplicado nos terminais do cristal havia umadeformao na sua superfcie.Assim, um cristal piezoeltrico converte um sinal eltrico oscilante emuma onda acstica, e vice-versa.TransdutoresEsquema simplificado de um transdutorTransdutoresPrincpio de funcionamento de um transdutor:Seja um transdutor descrito como o esquema abaixosob freqncias longe da ressonncia, o transdutor apresentacaractersticas de um capacitor de placas paralelas.Transdutoresonde C0 a capacitncia do transdutor, d o deslocamento, V atenso aplicada e S a permissividade do capacitor de placasparalelas medida na condio de repouso.No esquema, T a presso exercida pelo cristal no ambiente. Umoutro parmetro relevante a deformao S que relaciona amudana no comprimento do cristal com o seu tamanho inicial.Uma forma de relacionar a presso exercida T com a deformao docristal S conhecida como equao modificada de HookeS= ddTransdutoresOnde CD a constante de rigidez do transdutor, D o deslocamentodieltrico quando um campo E aplicado e h a constantepiezoeltrica.Quando um impulso de voltagem aplicado nos terminais do Quando um impulso de voltagem aplicado nos terminais dotransdutor, o efeito piezoeltrico cria foras impulsivas nos lados dotransdutor dadas por:a soluo possvel porque a impedncia acstica do materialpermanece a mesma, de forma que a velocidade do som entre osterminais dada por:TransdutoresA transformada inversa de Fourier revela o espectro de frequncias dafora exercida pelo transdutor:TransdutoresA maioria dos sistemas de imagens por ultrassom opera com mais deum transdutor, formando uma matriz de transdutoresUm tpico arranjo de transdutores o seu posicionamento em linhaonde uma nica dimenso composta pelos sensores.Os elementos esto sempre separados a distncias regulares, entremeio e dois comprimentos de onda de propagao na gua.TransdutoresA vantagem de operar com uma matriz de transdutores que eles sorapidamente focalizados e direcionados com controle eletrnico,enquanto os transdutores com elemento nico precisam de controlemecnico da direo e possui foco fixo.Os dois tipos mais comuns de matrizes de transdutores so asmatrizes lineares e as matrizes faseadas.O transdutor de matriz linear desloca a abertura ativa (conjunto de O transdutor de matriz linear desloca a abertura ativa (conjunto detransdutores que capturam o eco) varrendo todos os elementos damatriz, conforme mostra a figura abaixo.TransdutoresO resultado so imagens compostas como abaixo, onde um nmerofixo de linhas formado.Fonte: J. Ederle, S. Blanchard e J. Bronzino. Introduction to Biomedical Engineering. 2ndEd.TransdutoresOs transdutores de matrizes faseadas mantem a abertura ativa fixa edireciona eletrnicamente com pequenas variaes angulares.Cada linha direcionada com um pequeno incremento do ngulo emrelao ao anteriorTransdutoresO resultado so imagens compostas como abaixo, onde um nmerofixo de linhas formado.Fonte: J. Ederle, S. Blanchard e J. Bronzino. Introduction to Biomedical Engineering. 2ndEd.FG-32ua (by Pentax )Transdutor EndoscpicoC3-7ED - SonoAceTransdutor ConvexoTransdutoresEUP-OL334Transdutor LaparoscpicoEUP-ES322EUP-ES533Transdutores Trans-EsofgicosFonte: Schiabel, H. Notas de aula da disciplina: Princpios de Imagens Mdicas.Sistemas de Imagens de UltrassomOs sistemas de Imagens de Ultrassom esto relacionados com o tipode rgo que ser diagnosticado.O comprimento de Onda (freqncia de operao) do ultrassom umdos fatores determinantes da resoluo do sistema. Em geral, paraobter uma imagem de um rgo com resoluo de 1 mm necessrio um ultrassom de 1.5 MhzA freqncia tambm determinante para realizar exames em rgos A freqncia tambm determinante para realizar exames em rgosmais profundos. Isso porque o coeficiente de absoro diretamente proporcional freqncia do ultrassom.Em geral, freqncias entre 2 e 5 MHz so usadas em exames de altapenetrao (cardiologia, abdmen, obsttricos).Exames com alta penetrao e alta resoluo operam em freqnciasat 20 Mhz (mama, tireide, oftlmicos, do testculo e da periferiavascular) Sistemas de Imagens de UltrassomPara microscopia ultrasnica as frequncias esto entre 100 e 200Mhz.Existem vrios modos de formar uma imagem de ultrassom, dentre osquais destacamos:Modo A Amplitude Mais antigo (1930); fornece informaes unidimensionais (deteco em uma linha); Deteco das reflexes nas interfaces; Tempo de ida-volta proporcional profundidade de cada interface; Aplicaes na oftalmologia;Sistemas de Imagens de Ultrassom Aplicaes na oftalmologia; Diagnostica tumores, corpos estranhos e descolamento da retina;Fonte: Schiabel, H. Notas de aula da disciplina: Princpios de Imagens Mdicas.Modo B- Brilho mais utilizado; imagens em duas dimenses; Os princpios so os mesmos daqueles doSistemas de Imagens de Ultrassom Os princpios so os mesmos daqueles domapeamento A exceto que o transdutor movimentado; estabeleceinformaosobreaestruturainterna do corpo; temsidousadono diagnstico dofgado,mama, corao e feto; pode detectar gravidez, e podeestabelecer informao sobre anomaliasuterinas.Ultra-som de mamaFonte: Schiabel, H. Notas de aula da disciplina: Princpios de Imagens Mdicas.Modo M Movimentao Temporal grficos de movimentao temporal; bastante empregado em ecocardiografia; O modo M combina certas caractersticasdo modo A e o modo B; O transdutor mantido estacionriocomonomodoAeos ecos aparecemcomo pontos no modo B.Ecocardiografia em Modo M -ambos ventrculos rodeados de abundante derrame pericrdico Sistemas de Imagens de UltrassomUltrassonografia ModoAModo Ahttp://www.cnpdia.embrapa.br/publicacoes/download.php?file=DOC08_2003.pdfUltrassonografia Modo B Modo A discretizado em escala de cinza Cada pixel recebe um valor associado a sua amplitude http://www.incor.usp.br/spdweb/frame_cursos.htmUltrassonografia Modo BUltrassonografia Modo BUltrassonografia Modo M Modo A dinmico em tons de cinza Ecocardiografia Fonte: Prof. Srgio FuruieUltrassonografia Modo Mhttp://en.wikipedia.org/wiki/File:PLAX_Mmode.jpg Frequncia Aparente Fonte e Detector (Deslocamento) Aplicaes: Velocidade Relativa entre Fonte e DetectorVelocidade de Fluxo, Radares AutomotivosUltrassonografia Efeito DopplerUltrassonografia Eco Doppler2 cos f v 2 cosof vf c =Ultrassonografia Eco DopplerUltrassonografia Intravascular (IVUS)RegioImageadaLumenPlacaAterosclerticaCateter de UltrassomAAAAIVUS vs AngiografiaConvencionalBBBBAAAAIVUS vs AngiografiaConvencionalBBBBAAIVUS vs AngiografiaConvencionalAABBBBUltrassonografia 3D e 4D Transdutores Varredura Espacial Aquisio de Mltiplos Cortes