O que sabemos sobre ultra-som? · 2007-11-01 · 11/1/2007 9 Som Som = ondas mecânicas...
Transcript of O que sabemos sobre ultra-som? · 2007-11-01 · 11/1/2007 9 Som Som = ondas mecânicas...
11/1/2007 1
O que sabemos sobre ultra-som?
Tipo de energia?Tipo de interação com o corpo humano?Alguma semelhança com radar?Invasivo?Ionizante?Projeção?Vantagens/Desvantagens/Limitações?
11/1/2007 2
Devemos então abordar:
Como funciona?– Princípios físicos– Sensores/transdutores
Limitações técnicasVantagens/desvantagensAplicações clínicas
11/1/2007 3
Radar em aeroportos, submarinos..
presença de objetos e morfologia
11/1/2007 4
Radar no trânsito
velocidade, movimento => como?
11/1/2007 5
Radar metereológico
•É tomográfico?
•morfologia e velocidade
11/1/2007 6
Corte tomográfico por reflexão
11/1/2007 7
Ultra-som versus CT
Reconstrução tomográfica a partir das projeções– CT, Spiral CT, fastCT– SPECT – PET
11/1/2007 8
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/funcionais
11/1/2007 9
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 kHzInfra-som = ondas mecânicas com freqüências abaixo de 20 Hz.Ultra-som = ondas mecânicas com freqüências acima de 20 kHz.
11/1/2007 10
Princípios físicos: energia
– Reflexão – Refração/transmissão– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )– v= ~1500 m/s (média no corpo) [5.400 km/h]– Percorre 50 cm (ida e volta) em 0.6 ms– Se varrer 100 linhas => 60 ms => 20 imagens/s
11/1/2007 11
Ondas de compressão e rarefação formando ondas sonoras
11/1/2007 12
Onda sonora e curvas de variação do deslocamento e da pressão
11/1/2007 13
Princípios físicos
– Energia sonora:• Parte prossegue => penetra na matéria• Parte retorna (refletida) =>detetada pelo sensor• Parte é convertida em calor, ...
– Impedância acústica– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )– Z=ρ. v (Impedância=densidade x veloc.)
11/1/2007 14
Mergulhando em impedância diferente
H2O
11/1/2007 15
Mergulhando em alta impedância
Hg
11/1/2007 16
Reflexão, refração
Meio 1
Figura 5 - Reflexão e refração (ou transmissão) de ondas na interface entre os meio 1 e 2
Onda Incidente Onda Refletida Ii Ir
θi θr
Meio 1
Meio 2
θt Onda Transmitida ou Refratada
It
11/1/2007 17
Transdutor: geração e recepção
11/1/2007 18
Eco acústico: impedância
Transdutor d
tv(t)
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
µ ~α frequencia
O que está incorreto no v(t)?
xeII .0. µ−=
11/1/2007 19
Reflexão
Eq. FresnelR+T=1
Lei de Snell
( )
+==
+−
==
212
221
2
12
12
cos.cos.cos..4
cos.cos.cos.cos.
ti
i
i
t
ti
ti
i
r
ZZZZ
IIT
ZZZZ
IIR
θθθ
θθθθ
θi θr
θt
2
1
sensen
vv
t
i =θθ
1
2
11/1/2007 20
Incidência normal
( )212
21
2
12
12
0
.4
0
ZZZZT
ZZZZR
ti
+=
+−
=
==θθImpedância acústica (.001g/m2/s) a 1 MHz:
•ar => 0,0004
•água => 1,54
•sangue => 1,61
•fígado => 1,65
•osso => 6,00
•rim =>1,62
•gordura =>1,38
11/1/2007 21
Energia refletida e transmitida
Ar => águaR=0,9989T=0,001
Água => ossoR=0,35T=0,65
11/1/2007 22
Princípios físicos: energia desperdiçada
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
frequência => µ
xeII .0. µ−=
11/1/2007 23
11/1/2007 24
Aumento de 2 x em frequencia ?
No caso da água, a atenuação aumentou 3 x
xeII .0. µ−=
11/1/2007 25
Transdutor: Efeito piezoelétrico
Piezoeletricidade:Tensão alternada produz oscilações nas dimensões do cristal, devido ao re-alinhamentodas moléculas polarizadas
11/1/2007 26
Princípios físicos: consolidação
– 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 )
11/1/2007 27
Formando imagens
11/1/2007 28
Eco acústico: impedância
Transdutor d
tv(t)
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
µ ~α frequencia
O que está incorreto no v(t)?
xeII .0. µ−=
11/1/2007 29
modo A (Amplitude)
Transdutor d
tv
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
xeII .0. µ−=
11/1/2007 30
Modo B (Brilho)
modo A em tons de cinza com varredura
115
102
11/1/2007 31
Modo B: diagrama funcional
•controle automáticoganho (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 oude máximos
11/1/2007 32
Modo M (Movimento)
– modoAdinâmico em tons de cinza
t
t1 t2
11/1/2007 33
Efeito Doppler
fluxovaso
peletransd.
feixe
α
Fluxo e velocidade ∆ ffc
v= 2 0 . c o s ( ) .α
11/1/2007 34
Velocidade absoluta ?
• Como obter o ângulo de incidência ?
11/1/2007 35
Modo duplex
11/1/2007 36
11/1/2007 37
11/1/2007 38
Ultra-som: degradação
Caract. do transdutor B(t)Atenuação no caminho A(t)Espalhamento E(t)Ruído : speckle
S t T t B t A t E tS fT f
B f A f E f
( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )( )
( ) . ( ) . ( )
= ⊗ ⊗ ⊗
=
T(t) S(t)
11/1/2007 39
Transdutores: mais detalhes
11/1/2007 40
11/1/2007 41
Ultra-som: transdutoresphased-arrays– focar (guiar) região– diferentes geometrias
Focot
Transm.
Rec.
11/1/2007 42
11/1/2007 43
11/1/2007 44
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.
11/1/2007 45
11/1/2007 46
Ultra-som 3D: varr. Mec. tilt
11/1/2007 47
11/1/2007 48
Scan rotacional
Three-dimensional image of a pregnant uterus with twins. Theimage has been "sliced to revealthe two gestational sacs. Thisimage was obtained by means ofthe rotational scanningapproach using an endfiringendovaginal transducer (SPIE pres, Med Imag I).
11/1/2007 49
Visualização 3D
Image showing the ray-casting approach. An array of rays are castthrough 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 differentways to produce different types of renderings (SPIE Press, Med Imag. I).
11/1/2007 50
The 3D image of the fetal face has been rendered using a translucency-rendering algorithm with the ray-casting approach. In this image, the amnioticfluid has been made transparent, and tissues have been made transparent oropaque depending on the voxel intensity (SPIE Press, Medical Imaging).
11/1/2007 51
Visualização 3D: MIP
The 3D image of the kidney has been rendered using a MIP {maximum intensity projection) algorithm withthe ray-casting approach
11/1/2007 52
Ultra-som: aplicações
Estudo de estruturas dinâmicas em uma determinada posição. – válvulas cardíacas no modo M
Cortes tomográficos 2D– cardíaca– fetal– abdominal, ...
11/1/2007 53
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 velocidadeContraste p/ US: micro-bolhasIVUS - Intra Vascular Ultra SoundEcocardiografia 2D e 3D
11/1/2007 54
IVUS
11/1/2007 55
Ecocardiografia 3D com microbolhas
11/1/2007 56
PACS: Conectividade
11/1/2007 57
O Sistema
11/1/2007 58
Comparação de modalidades?
Medicina NuclearRessonância MagnéticaRaio-X
11/1/2007 59
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