Princípios Físicos de Ultrassonografia

Serviço de Ultrassonografia

Thiago M. Tezoto

Introdução

• Ultrassom:

- Versátil com excelente relação custo benefício.

- Imagens seccionais em qualquer orientação espacial.

- Não utiliza radiação ionizante.

- Estudo do movimento das estruturas corporais.

- Estudo hemodinâmico não invasivo – Doppler.

Introdução

• Ultrassom

- Onda sonora pulsátil.

- Fenômeno de interação entre som e tecidos corporais.

- Transmissão da onda sonora pelo meio permite observaras propriedades mecânicas dos tecidos.

- Fundamentos físicos e tecnológicos.

Som• Vibração mecânica.

Som• Propriedades ondulatórias.

• Sofre interação com o meio:

- Refração - Reflexão - Atenuação - Difração - Interferência - Espalhamento

Som• Características do fenômeno sonoro são relacionadas com

sua fonte e com o meio de propagação.

• Comportamento da onda depende de variáveis ( P, t° e mobi- lidade das partículas).

• Vibrações – deflexões – direção da propagação do som: Transversais Longitudinais (água e gases)

Ondas Sonoras

Conceitos fundamentais• Comprimento de Onda (λ):

Distância entre fenômenos de compressão e rarefação sucessivos,medido em metros (m).

Depende da velocidade do som no meio e da freqüência utilizada.

Ondas Sonoras

• Freqüência (f):

Número de ciclos completos de oscilação em um segundo, medida em Hertz (Hz).

Determina a capacidade do ultrassom em discriminar dois pontos próxi-mos a área de interesse (resolução espacial). Quanto maior a freqüência, menor o comprimento de onda e melhor aresolução espacial.

Ondas Sonoras

• Período (T):Tempo característico em que o mesmo fenômeno se repete.

T=1/f

• Amplitude (A):Intensidade da onda sonora proporcional a deflexão máxima daspartículas do meio de transmissão, ou seja, a energia que atravessao tecido.

Ondas Sonoras

• Velocidade (c): Constante para cada material.

Depende das propriedades elásticas e da própria densidade do meio.

Média calculada em 1540 m/s

Piezeletricidade

• Converte uma forma de energia em outra.

• Energia Elétrica Energia de Ultrassom

Piezeletricidade

• Materiais Piezoelétricos:

- Quartzo

- Turmalina

- Titanato de Bário

- Titanato Zircoanto de Chumbo (PZT)

Transdutores• Produzir feixe ultrassônico.• Receber os ecos gerados pelas interfaces.

Transdutores

Composição

• Conjunto compacto de elementos piezoeletricos.• Aparato eletrônico (excitação e captação).• Lente acústica.• Material de acoplamento.• Material de amortecimento posterior (absorve freqüências Indesejáveis).• Isolamento

Transdutores• Convexo: 3,5 MHz

• Linear: 7,5 MHz

• Endocavitário: 6 MHz

Campo Ultrassônico: Foco

Campo ultrassônico: Foco• Melhor resolução espacial• Menor espessura do feixe acústico.

• Zona de Fresnel • Zona de Fraunhoffer

Imagem Ultrassonográfica

• Sinais de intensidade variável.

• Interação da onda sonora com o meio.

• Capacidade de reflexão.

• Impedância acústicas diferentes.

Impedância Acústica (Z)

• Resistência do meio à condução do feixe ultrassônico.

• Depende da densidade e velocidade do som no meio.

Z = c . ρ

Impedância Acústica (Z)

• Diferença de ZZ entre dois meios define a quantidade de reflexão na interface.

• Interface com mesmo ZZ não há reflexão.

• Logo, quanto maior a diferença de ZZ, maior será a reflexão.

• Exemplo: nódulo hepático.

Transmissão, Reflexão e Refração

• Depende do ângulo de incidência e da ≠ de ZZ..

• Reflexão e Refração.

Reflexão

Transmissão, Reflexão e Refração

• Quanto maior o coeficiente de reflexão,

• Maior a intensidade do eco recebido,

• Portanto menor a transmissão do feixe.

Uso do gel !!!

Artefatos• Reflexão total • Sombra acústica posterior

- Interface com graus extremos de impedância acústica.

- Todo feixe ultrassônico é refletido a partir da interface.

- Exemplos: ar, calcificações, cálculos e gás (sombra suja).

Artefatos

• Reflexão especular • Imagem em espelho

- Estrutura altamente reflexiva (diafragma).

- Ecos sofrem nova reflexão na interface proximal.

- Retornam ao equipamento em atraso em relação aos primeiros.

Artefatos

• Refração

- Incidência do feixe ocorre em um ângulo inferior ao limítrofe.

- Parte do feixe é refletida (eco), parte é refratada.

- Muda a direção original.

- Estruturas com morfologia lentiforme.

Artefatos• Atenuação

- Perdas sucessivas da intensidade do sinal.

- Em função da distância percorrida.

- Absorção (transformação em calor), reflexão, espalhamento.

- Diretamente relacionada à freqüência.

Atenuação = freqüência x distância percorrida

Artefatos• Reforço acústico posterior

- Estruturas de baixa atenuação.

- Compensação temporal de ganho (TGC).

- Estruturas posteriores apresentam ecos mais intensos.

- Regiões posteriores a estruturas císticas.

Artefatos• Difração e espalhamento

- Extremidade de estrutura interposta no trajeto do feixe assumeo papel de fonte sonora.

- Reflexão não direcional do feixe ultrassônico.

- Ocorre em ondas esféricas (difração).

- Gera ecos de baixa amplitude.

- Padrão textural em tons de cinza (parênquima hepático).

Modos de apresentação

• Modo A

- Gráficos de amplitude. - Em relação com a profundidade.

• Modo B (brilho)

- Linha de imagem , ecos gerados por um único pulso.

- Conversão em pulsos elétricos, amplificada e processada.

- Seqüência de pontos brilhantes na tela.

- Aquisição de sucessivas linhas = Imagem bidimensional.

Modos de apresentação

Modos de apresentação

• Modo M (movimento)

- Ecocardiografia.

- Estudo da movimentação das interfaces refletoras,

- ao longo da direção de propagação,

- em um intervalo de tempo extenso.

Escala de cinza• Inicialmente preto e branco.

• Profundidade de memória.

• Valores intermediários de amplitude dos ecos,

• Em escala de cinza.

• Atualmente: - Profundidade de memória de 8 bits (preto e branco).

- 254 tons de cinza.

Escala de cinza

• Terminologia

- Ecogênicas, hiperecogênicas, ecorrefringentes: Ecos de alta intensidade – cinza-claras ou brancas.

- Hipoecogênicas: Ecos de baixa intensidade – cinza-escuras.

- Anecogênicas: Permitem a passagem do eco sem reflexão (bexiga, cistos simples).

Pretas.

Resolução Espacial

• Resolução Espacial Axial

- Discriminar dois pontos próximos ao longo do eixo de propagação do feixe ultrassônico.

- Depende da duração dos pulsos (período) e da freqüência.

Resolução Espacial

• Resolução Espacial Lateral

- Discriminar dois pontos no eixo perpendicular ao da propagação do feixe ultrassônico.

- Diretamente proporcional à freqüência e elementos piezoetétricos.

Resolução Espacial

• Resolução Espacial Lateral

- Feixe ultrassônico lobos centrais e lobos laterais.

- Captação do eco por elementos piezoelétricos diferentes.

- Ambigüidade de localização espacial degradação da imagem.

- Refletores de alta intensidade.

- Artefatos de lobos laterais.

Resolução Espacial

• Resolução Espacial de Elevação

- Discriminar pontos no terceiro eixo espacial, perpendicular aoplano de insonação.

- Fator limitante da qualidade de imagem.

- Depende: Espessura do elemento piezoelétrico. Profundidade da focalização. Elementos dispersivos no trajeto do feixe.

- Artefato: efeito de volume parcial.

Doppler• Christian Andreas Doppler – 1841

• O efeito Doppler é a mudança da freqüência de onda, resultante da movimentação de uma fonte.

• Ultrassom Doppler é usado para detectar e medir o fluxo sanguíneo e o maior refletor é a hemácia.

• A freqüência Doppler depende da freqüência de insonação(f), da velocidade do fluxo sanguíneo(v) e do ângulo entre o feixe ultras-sonográfico e a direção do movimento sanguíneo(θ), espresso na equação Doppler:

Fd = 2.f.v. cos θ

------------- c

Doppler

Doppler• Ângulo estimado pelo ultrassonografista.

Fd = 2.f.v. cos θ ------------- c

• cos de 90° = zero.• Se o feixe ultrassônico estiver a 90° em relação ao vasoInsonado, não haverá efeito Doppler. • Ângulo correto entre 0° e 60°.

Doppler

Doppler

• Doppler de Onda Contínua

- Transmissão e recepção ultrassonográfica contínua.

- Não produz imagens coloridas.

- Incapaz de determinar localização específica de velocidade.

- Não permite reconhecer profundidade dos refletores.

Doppler

• Doppler de onda pulsada

- Aparelhos atuais.

- Maior zona sensitiva/volume de amostra.

- Permite a medida da profundidade do fluxo.

- Permite unir os modos colorido e espectral conjuntamente.

Doppler

• Formas de demonstrar o fluxo sanguíneo

- Modo colorido.

- Modo pulsado – espectral.

- Power Doppler (Doppler de amplitude).

Doppler

• Modo colorido

- Direção de fluxo através da barra de cor.

- Cor superior: aproxima do transdutor.

- Cor inferior: afasta do transdutor.

Doppler

• Modo colorido

- Visão ampla de uma

região. - Informação sobre a

direção do fluxo. - Informação limitada do

fluxo / velocidade. - Fluxo turbulento. - Resolução temporal

pobre.

Doppler• Doppler Pulsado (espectral) - Volume da amostra.

- Análise de fluxo em determinado local definido pelo volumeda amostra.

- Análise detalhada da distribuição do fluxo.

- Análise do pico sistólico.

- Diástole.

- Índices de resistência e pulsatilidade, aceleração.

- Boa resolução temporal.

Doppler

• Power Doppler

- Sensível a fluxos de baixa velocidade.

- Pequenos vasos.

- Fluxo filiforme.

- Não permite determinar direção de fluxo.

- Baixa resolução temporal.

Doppler

• Sistemas dúplex

- Dois feixes ultrassônicos modo B e mapeamento Doppler.

- Presença de fluxo.

- Distribuição das velocidades.

- Evolução temporal das velocidades.

- Velocidades máxima, mínima média e modal.

- Cálculo de índices de análise hemodinâmica.

Doppler• Sistema dúplex

- Ganho: Amplificação do sinal recebido – detecção de sinais de baixaamplitude.

- PRF (escala): Freqüência de pulsação do feixe Doppler, não há PRF padrão.

- Volume da amostra: Intervalo receptivo aos ecos.

- Filtragem: Elimina ecos de baixa velocidade, ruídos provenientes das partesmoles adjacentes ao vaso estudado.

Doppler

• Sistema dúplex

- Velocidade de varredura: velocidade com que as curvas de velocidade são mostradas na tela.

- Linha de base: elevar ou abaixar o que representa a velocidade zero, ou seja, ausência de deslocamento Doppler.

- Inversão de sentido: inverter a posição dos sinais de fluxo em relação à linha de base.

Doppler - Artefatos

• Aliasing - “Qualquer fenômeno periódico deve ser mostrado pelo menos duas vezes a cada ciclo

para que não haja ambigüidades quanto suas características de fase e freqüência.” (teorema de Harry Nyquist).

- A máxima freqüência Doppler que pode ser mensurada, corresponde a metade do PRF.

- Se a velocidade de fluxo sanguíneo e o ângulo, entre o feixe ultrassono-gráfico e a direção de fluxo, dão um valor maior que a metade do PRF, ocorre ambigüidade. Esta ambigüidade é conhecida como ALIASING.

- Efeito similar: roda de um carro parece estar girando na direção oposta.

Doppler - Artefatos

• Aliasing

- Correção: . Aumentar o PRF . Diminuir o ganho . Diminuir a linha de base . Diminuir a freqüência do transdutor

Doppler - Artefatos

• Aliasing

Doppler - Artefatos

• Bleeding

- Sinal de cor de um vasoprojetado em uma área adjacente sem fluxo.

- Ocorre devido ganho domodo colorido muito alto.

- Solução: reduzir o ganhode cor.

Doppler - Artefatos

• Artefato em espelho

- Feixe ultra-sonográfico perpendicular ao vaso.

- Falsa impressão de fluxo bidirecional.

- Correção: angular o feixe ultra-sonográfico em relação ao vaso estudado.

Doppler - Artefatos

• Erro de angulação

- Medida errônea de velocidade.

- Correção do ângulo.

Bibliografia• Cerri, Giovanni Guido; Saito, Osmar de Cassio. Ultrassonografia de

pequenas partes. Rio de Janeiro: Revinter Ltda, 2004.

• Cerri, Giovanni Guido; Saito, Osmar de Cassio. Ultrassonografia de pequenas partes. Rio de Janeiro: Revinter Ltda, 2004.

• Biscegli, Clóvis Isberto Conceitos da física do ultra-som / Clóvis Isberto Biscegli. São Carlos, SP: Embrapa Instrumentação Agropecuária, USP, 2004.