Avanços Tecnológicos no Ultra-som

Antonio Adilton O. Carneiro

Universidade de São Paulo

Ribeirão Preto

O Ultra-Som Moderno

• O Transdutor

• Princípio Físico

• Aquisição e processamento dos ecos

O transdutor

O transdutor

1.5 D

EnergiaElétrica

++++

----

++++

----

dilatação compressão

Cristal PZT

Material Amortecedor

Camada de interposição

Transdutor

Montagem dos PZTs

Pulso longo Pulso Curto

Pulso elétrico

CristalAmortecedor

O Pulso Echo

1

2CIR = IR/II={(Z2-Z1)/(Z2+Z1)}

CIT = 1 - CIR

IR = Intensidade RefletidaII = Intensidade InsidenteCIR = Coeficiente de Intensidade RefletidaCIT = Coeficiente de Intensidade Transmitida

Z = V

Impedância acústicaImpedância acústica (Z (Zaa))

Varredura

Modo B

Computador

Am

plit

ude

Profundidade

Ganho

=+

Resolução

Frequência Profundidade da imagem

Largura do feixe Resolução Lateral

Comp. Espacial do pulso Resolução axial

Ciclos por pulso Resolução axial

Frequência Resolução axial

RA=comprimento do pulso/2

x = v. t

x = 1.540 m/s . 10-6 s = 1,54 mm

objetos separados por uma distância menor que 0,77 mm não podem ser distinguidos.

Resolução Axial (RA)

A resolução não pode ser maior que o comprimento de onda () das ondas de ultra-som

Freqüência (MHz) Comprimento de onda (mm)

1,6 0,96 2,0 0,77 2,25 0,68 3,5 0,44 5,0 0,31

Resolução Axial (RA)

RA=comprimento do pulso/2

d

d<CP/2

Resolução Axial (RA)

RA=comprimento do pulso/2

d

d>CP/2

Resolução Axial (RA)

Linha de cristias PZT

imagem

alvo

Resolução Lateral (RA)

Interface Perda por reflexão (dB) Tecido-ar -0,01 Osso tecido -3,8 Gordura-músculo -20 Tecido-água -26 Músculo sangue -30

Interfaces biológicasInterfaces biológicas

Meio DMP (cm) Água 380 Sangue 15 Tecido mole (exceto músculo) 1 - 5 Músculo 0,6 - 1 Osso 0,2 - 0,7 Ar 0,08 Pulmão 0,05

DMP - Distância de meia potência

Atenuação dos ultra-sons

Aquisição e Processamento dos dados

Componentes eletrônicos

Microcontroladores

DSPs

Aquisição e processamento

Microcontrolador DSP ComputadorFonte de energia

Agente de contraste (Microbolhas)

• Bolhas de gás (ar ou perfluorocarbono) revistida por uma camada polimérica.

Interação do feixe de ultra-som com a Microbolha

• A microbolha é mais compressível do que o tecido mole

• Ocorre contração e expansão quando submetido á uma excitação oscilante

• Em potencia acústica baixa (<100 Kpa), a oscilação é igual e simétrica (comportamento linear).

• Em potência acústica alta (> 100 Kpa), as interações são complexas e não lineares porque as microbolhas resistem a compressão mais do que a expansão.

Ressonancia das microbolhas

• Ressonância (1 – 20 MHz)

• Emite sinais harmônicos em múltiplos (ou frações) da freqüência fundamental

• Os sinais harmônicos são informações específicas dos agentes de contrastes.

Imagem Harmônica

• A imagem é formada com o segundo harmônico do eco.

fo 2fo 3fo

FFT d

o S

inal

Freq. do eco (Hz)

Imagem Harmônica

• Permite gerar imagens de microcirculações (~100 m), permitindo a caracterização de vascularização tumoral

• Permite gerar imagens de sinais transientes produzido pela ruptura de microbolhas por acústica de alta potencia.

Novas Aplicações usando Microbolhas

• Quantificação e estudo funcional– Passiva - passagem do contraste é registrada

com mínima destruição das microbolhas– Ativa - As microbolhs são rompidas e métodos

não-lineares são usados para registrar informações como “taxa de fluxo em microcirculação”, ou seja, medida de perfusão do tecido.

Imagens Elastográficas

• São imagens formada pela deformação axial dos tecidos, estimada a partir de variações no sinal do ultra-som.

• Esta variação é causada por uma força, pequena e quase estática, aplicada sobre os tecidos com a própria sonda.

Imagem=Deformação/Força

Aplicação

• Patologias que alteram a dureza dos tecidos – Por exemplo: Tumores em mama, em próstata,

etc.

Princípio Físico

Mola Uniforme

Antes Depois

Defo

rmaçã

oProfundidade

Princípio Físico

Mola Não-Uniforme

Antes Depois

Defo

rmaçã

oProfundidade

Modelo do princípio de elastografia

Pré-compressão Pós-compressão

Sinal de RF: Antes e após a compressão (2% de deformação)

Estimativa da deformação

Sinal RF após a compressão

Sinal RF antes da compressão

Teste em “Phantom”

Phantom

Sonografia Elastografia

Trabalho da literatura

Fotografia Ultrasonografia

Elastografia ElastografiaFiltrado

http://www.uth.tmc.edu/schools/med/rad/elasto/

Elastografia

TransdutorTransdutor

Força

Imagem “in vitro”

Sonografia Elastografia Fototografia

Próstata “In vitro”

MRI Elastografia Sonografia

Método vibro-acústico

Campo Acústico emitido pela Vibração de um objeto

Geração do campo acústico

vHidrofone

F=drS< E >

Elemento de volume

< E >

Força de radiação dinâmica

Força aplicada usando campo acústico modulado

))(cos()())(cos()()( 222111 rtrPrtrPtP

r

z 0z0

1

2

PZT1

PZT2

O campo acústico modulado

),cos(2

cos2)( 00

ttPtP

Fazendo 1= o = 2+ P1=P2=Po 1 = 2 = 0

tem-se

Nessa aplicação <<

Densidade de energia acústica22 /)( ctpEi

Sendo << pode-se considerar a densidade média de enrgia em um perído T mais curto que o período de oscilação lenta e mais longo que o período de oscilação rápida. Neste caso, a densidade de enrgia acústica média será variável no tempo.

)(

))cos(1(2

2

teEE

tc

PE

o

o

Força de radiação

)cos(2

2

tc

PSdF o

r

Pegando apenas a componente variável da densidade de energia, a força de radiação fica sendo igual a

Observa-se que a amplitude da força de pressão modulada é proporcional ao quadrado da pressão do feixe incidente, ou seja, o objeto alvo irá oscilar em baixa freqüência com energia mecânica correspondente a energia acústica do campo de alta freqüência

Emissão acústica pelo alvo vibrante

• A força de radiação F() vibra o objeto alvo em frequências

• A vibração do objeto resulta em um campo acústico;

• Este campo acústico é dependente das propriedades visco-elásticas do objeto;

Radiação acústica

,2

sen/

sen/2

4

/exp 21

Ub

cb

cbJ

l

cljjP

.

Z

FU

Z – Impedância mecância do meio de propagação

U – A amplitude de velocidade do pistão J1 – é a função de Bessel de primeira ordem e do primeiro tipo

Pressão acústica

.

2

sen/

sen/2

4

/exp 221

2

Z

SdPb

cb

cbJ

l

clj

cjP ro

sen/

sen/2

4

/exp)( 1

2 cb

cbJ

l

clj

cjlH

Z

bQ

22

FQlHcP )(2

2

2

c

SdPF ro

Dados da literatura

Em cada ponto, a diferença de freqüência foi varrida de 250 a 2250Hz

Freqüências de ressonância dos diapasões na água: Esquerda:1709Hz; Meio: 809Hz; Direita:

407Hz

Fatemi M and Greenleaf JF (1999)

Resultados da Literatura

Fatemi M and Greenleaf JF (1999)

Resultados da Literatura

Fatemi M and Greenleaf JF (1999)