Princípios Físicos de Ultrassonografia Serviço de Ultrassonografia Thiago M. Tezoto.

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  • Princpios Fsicos de UltrassonografiaServio de UltrassonografiaThiago M. Tezoto

  • IntroduoUltrassom:

    - Verstil com excelente relao custo benefcio.

    - Imagens seccionais em qualquer orientao espacial.

    - No utiliza radiao ionizante.

    - Estudo do movimento das estruturas corporais.

    - Estudo hemodinmico no invasivo Doppler.

  • IntroduoUltrassom

    - Onda sonora pulstil.

    - Fenmeno de interao entre som e tecidos corporais.

    - Transmisso da onda sonora pelo meio permite observaras propriedades mecnicas dos tecidos.

    - Fundamentos fsicos e tecnolgicos.

  • SomVibrao mecnica.

  • SomPropriedades ondulatrias.

    Sofre interao com o meio:

    - Refrao - Reflexo - Atenuao - Difrao - Interferncia - Espalhamento

  • SomCaractersticas do fenmeno sonoro so relacionadas com sua fonte e com o meio de propagao.

    Comportamento da onda depende de variveis ( P, t e mobi- lidade das partculas).

    Vibraes deflexes direo da propagao do som: Transversais Longitudinais (gua e gases)

  • Ondas Sonoras Conceitos fundamentais

    Comprimento de Onda ():

    Distncia entre fenmenos de compresso e rarefao sucessivos,medido em metros (m).

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

  • Ondas SonorasFreqncia (f):

    Nmero de ciclos completos de oscilao em um segundo, medida em Hertz (Hz).

    Determina a capacidade do ultrassom em discriminar dois pontos prxi-mos a rea de interesse (resoluo espacial). Quanto maior a freqncia, menor o comprimento de onda e melhor aresoluo espacial.

  • Ondas SonorasPerodo (T):Tempo caracterstico em que o mesmo fenmeno se repete. T=1/f

    Amplitude (A):Intensidade da onda sonora proporcional a deflexo mxima daspartculas do meio de transmisso, ou seja, a energia que atravessao tecido.

  • Ondas SonorasVelocidade (c):

    Constante para cada material.Depende das propriedades elsticas e da prpria densidade do meio. Mdia calculada em 1540 m/s

  • Piezeletricidade

    Converte uma forma de energia em outra.

    Energia Eltrica Energia de Ultrassom

  • PiezeletricidadeMateriais Piezoeltricos:

    - Quartzo

    - Turmalina

    - Titanato de Brio

    - Titanato Zircoanto de Chumbo (PZT)

  • TransdutoresProduzir feixe ultrassnico.Receber os ecos gerados pelas interfaces.

  • TransdutoresComposio

    Conjunto compacto de elementos piezoeletricos.Aparato eletrnico (excitao e captao).Lente acstica.Material de acoplamento.Material de amortecimento posterior (absorve freqncias Indesejveis).Isolamento

  • TransdutoresConvexo: 3,5 MHz

    Linear: 7,5 MHz

    Endocavitrio: 6 MHz

  • Campo Ultrassnico: Foco

  • Campo ultrassnico: FocoMelhor resoluo espacialMenor espessura do feixe acstico.

    Zona de Fresnel Zona de Fraunhoffer

  • Imagem Ultrassonogrfica

    Sinais de intensidade varivel.

    Interao da onda sonora com o meio.

    Capacidade de reflexo.

    Impedncia acsticas diferentes.

  • Impedncia Acstica (Z)

    Resistncia do meio conduo do feixe ultrassnico.

    Depende da densidade e velocidade do som no meio.

    Z = c .

  • Impedncia Acstica (Z)

    Diferena de Z entre dois meios define a quantidade de reflexo na interface.

    Interface com mesmo Z no h reflexo.

    Logo, quanto maior a diferena de Z, maior ser a reflexo.

    Exemplo: ndulo heptico.

  • Transmisso, Reflexo e Refrao

    Depende do ngulo de incidncia e da de Z.

    Reflexo e Refrao.

    Reflexo

  • Transmisso, Reflexo e Refrao

    Quanto maior o coeficiente de reflexo,

    Maior a intensidade do eco recebido,

    Portanto menor a transmisso do feixe.

    Uso do gel !!!

  • ArtefatosReflexo total Sombra acstica posterior

    - Interface com graus extremos de impedncia acstica.

    - Todo feixe ultrassnico refletido a partir da interface.

    - Exemplos: ar, calcificaes, clculos e gs (sombra suja).

  • ArtefatosReflexo especular Imagem em espelho

    - Estrutura altamente reflexiva (diafragma).

    - Ecos sofrem nova reflexo na interface proximal.

    - Retornam ao equipamento em atraso em relao aos primeiros.

  • ArtefatosRefrao

    - Incidncia do feixe ocorre em um ngulo inferior ao limtrofe.

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

    - Muda a direo original.

    - Estruturas com morfologia lentiforme.

  • ArtefatosAtenuao

    - Perdas sucessivas da intensidade do sinal.

    - Em funo da distncia percorrida.

    - Absoro (transformao em calor), reflexo, espalhamento.

    - Diretamente relacionada freqncia.

    Atenuao = freqncia x distncia percorrida

  • ArtefatosReforo acstico posterior

    - Estruturas de baixa atenuao.

    - Compensao temporal de ganho (TGC).

    - Estruturas posteriores apresentam ecos mais intensos.

    - Regies posteriores a estruturas csticas.

  • ArtefatosDifrao e espalhamento

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

    - Reflexo no direcional do feixe ultrassnico.

    - Ocorre em ondas esfricas (difrao).

    - Gera ecos de baixa amplitude.

    - Padro textural em tons de cinza (parnquima heptico).

  • Modos de apresentaoModo A

    - Grficos de amplitude. - Em relao com a profundidade.

  • Modos de apresentaoModo B (brilho)

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

    - Converso em pulsos eltricos, amplificada e processada.

    - Seqncia de pontos brilhantes na tela.

    - Aquisio de sucessivas linhas = Imagem bidimensional.

  • Modos de apresentaoModo M (movimento)

    - Ecocardiografia.

    - Estudo da movimentao das interfaces refletoras,

    - ao longo da direo de propagao,

    - em um intervalo de tempo extenso.

  • Escala de cinzaInicialmente preto e branco.

    Profundidade de memria.

    Valores intermedirios de amplitude dos ecos,

    Em escala de cinza.

    Atualmente: - Profundidade de memria de 8 bits (preto e branco). - 254 tons de cinza.

  • Escala de cinzaTerminologia

    - Ecognicas, hiperecognicas, ecorrefringentes: Ecos de alta intensidade cinza-claras ou brancas.

    - Hipoecognicas: Ecos de baixa intensidade cinza-escuras.

    - Anecognicas: Permitem a passagem do eco sem reflexo (bexiga, cistos simples). Pretas.

  • Resoluo Espacial Resoluo Espacial Axial - Discriminar dois pontos prximos ao longo do eixo de propagao do feixe ultrassnico.

    - Depende da durao dos pulsos (perodo) e da freqncia.

  • Resoluo EspacialResoluo Espacial Lateral - Discriminar dois pontos no eixo perpendicular ao da propagao do feixe ultrassnico.

    - Diretamente proporcional freqncia e elementos piezoettricos.

  • Resoluo EspacialResoluo Espacial Lateral

    - Feixe ultrassnico lobos centrais e lobos laterais.

    - Captao do eco por elementos piezoeltricos diferentes.

    - Ambigidade de localizao espacial degradao da imagem.

    - Refletores de alta intensidade.

    - Artefatos de lobos laterais.

  • Resoluo EspacialResoluo Espacial de Elevao

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

    - Fator limitante da qualidade de imagem.

    - Depende: Espessura do elemento piezoeltrico. Profundidade da focalizao. Elementos dispersivos no trajeto do feixe.

    - Artefato: efeito de volume parcial.

  • DopplerChristian Andreas Doppler 1841

    O efeito Doppler a mudana da freqncia de onda, resultante da movimentao de uma fonte.

    Ultrassom Doppler usado para detectar e medir o fluxo sanguneo e o maior refletor a hemcia.

    A freqncia Doppler depende da freqncia de insonao(f), da velocidade do fluxo sanguneo(v) e do ngulo entre o feixe ultras-sonogrfico e a direo do movimento sanguneo(), espresso na equao Doppler: Fd = 2.f.v. cos ------------- c

  • Doppler

  • Dopplerngulo estimado pelo ultrassonografista.

    Fd = 2.f.v. cos ------------- ccos de 90 = zero.Se o feixe ultrassnico estiver a 90 em relao ao vasoInsonado, no haver efeito Doppler. ngulo correto entre 0 e 60.

  • Doppler

  • DopplerDoppler de Onda Contnua

    - Transmisso e recepo ultrassonogrfica contnua.

    - No produz imagens coloridas.

    - Incapaz de determinar localizao especfica de velocidade.

    - No permite reconhecer profundidade dos refletores.

  • DopplerDoppler 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.

  • DopplerFormas de demonstrar o fluxo sanguneo

    - Modo colorido.

    - Modo pulsado espectral.

    - Power Doppler (Doppler de amplitude).

  • DopplerModo colorido

    - Direo de fluxo atravs da barra de cor. - Cor superior: aproxima do transdutor. - Cor inferior: afasta do transdutor.

  • DopplerModo colorido

    - Viso ampla de uma regio. - Informao sobre a direo do fluxo. - Informao limitada do fluxo / velocidade. - Fluxo turbulento. - Resoluo temporal pobre.

  • DopplerDoppler Pulsado (espectral)

    - Volume da amostra.

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

    - Anlise detalhada da distribuio do fluxo.

    - Anlise do pico sistlico.

    - Distole.

    - ndices de resistncia e pulsatilidade, acelerao.

    - Boa resoluo temporal.

  • DopplerPower Doppler

    - Sensvel a fluxos de baixa velocidade.

    - Pequenos vasos.

    - Fluxo filiforme.

    - No permite determinar direo de fluxo.

    - Baixa resoluo temporal.

  • DopplerSistemas dplex

    - Dois feixes ultrassnicos modo B e mapeamento Doppler.

    - Presena de fluxo.

    - Distribuio das velocidades.

    - Evoluo temporal das velocidades.

    - Velocidades mxima, mnima mdia e modal.

    - Clculo de ndices de anlise hemodinmica.

  • DopplerSistema dplex

    - Ganho: Amplificao do sinal recebido deteco de sinais de baixaamplitude.

    - PRF (escala): Freqncia de pulsao do feixe Doppler, no h PRF padro.

    - Volume da amostra: Intervalo receptivo aos ecos.

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

  • DopplerSistema dplex

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

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

    - Inverso de sentido: inverter a posio dos sinais de fluxo em relao linha de base.

  • Doppler - ArtefatosAliasing - Qualquer fenmeno peridico deve ser mostrado pelo menos duas vezes a cada ciclo para que no haja ambigidades quanto suas caractersticas de fase e freqncia. (teorema de Harry Nyquist).

    - A mxima freqncia Doppler que pode ser mensurada, corresponde a metade do PRF.

    - Se a velocidade de fluxo sanguneo e o ngulo, entre o feixe ultrassono-grfico e a direo de fluxo, do um valor maior que a metade do PRF, ocorre ambigidade. Esta ambigidade conhecida como ALIASING.

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

  • Doppler - ArtefatosAliasing

    - Correo: . Aumentar o PRF . Diminuir o ganho . Diminuir a linha de base . Diminuir a freqncia do transdutor

  • Doppler - ArtefatosAliasing

  • Doppler - ArtefatosBleeding

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

    - Ocorre devido ganho domodo colorido muito alto.

    - Soluo: reduzir o ganhode cor.

  • Doppler - ArtefatosArtefato em espelho

    - Feixe ultra-sonogrfico perpendicular ao vaso.

    - Falsa impresso de fluxo bidirecional.

    - Correo: angular o feixe ultra-sonogrfico em relao ao vaso estudado.

  • Doppler - ArtefatosErro de angulao

    - Medida errnea de velocidade.

    - Correo do ngulo.

  • BibliografiaCerri, 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, Clvis Isberto Conceitos da fsica do ultra-som / Clvis Isberto Biscegli. So Carlos, SP: Embrapa Instrumentao Agropecuria, USP, 2004.

    Som uma vibrao mecnica que oscila na faixa audvel de 20 a 20.000 Hz (ciclos por segundo) Ultrassom so vibraes mecnicas acima de 20.000 Hz (ciclos por segundo.Propriedades ondulatrias semelhantes as ondas eletromagnticas (luz), e apresenta efeitos adversos de interao com o meio com:Propagao da onda provoca vibraes no meio material produzindo deflexes em relao direo de propagao do som.Essas deflexes podem ser transversais ou longitudinais, e como a gua e os gases a transmisso da onda sonora aplicada ocorre sempre na longitudinal, os mtodos ultrassonogrficos aplicados na medicina utilizam apenas ondas longitudinais.Velocidade do som nos meios varia muito. A variao em funo da freqncia denominada disperso e desprezvel nos slidos < 1%.Como a maior parte dos elementos do corpo humano possuem velocidades de propagao semelhantes, exceto ar e ossos, os equipamentos de ultrassonografia so calibrados para uma velocidade padro de 1540 m/s.Efeito piezoeltrico: propriedade que alguns materiais tem quando submetidos a estresse mecnico de emitirem ondas eltricas, ou analogamente, sofrerem deformao espacial quando submetidos a um pulso eltrico.Fresnel, regio proximal que se mantm coerente possibilitando a produo de imagens,ecos simultneos de maior intensidade. A profundidade da zona de Fresnel depende da freqncia e da largura do elemento piezoeltrico utilizado.Fraunhoffer, regio distal onde o feixe perde a coerncia de fase. E inversamente proporcional a freqncia,ecos alternados, de menor intensidade (atenuao).Transdutores que utilizamos possuem arranjo de vrios elementos piezoeletricos ao longo de uma dada direo, conhecido como arranjo de fase. O disparo seqencial desses elementos produzem feixe com frente de onda curva, cujo foco corresponde ao ponto focal do feixe. O aparelho pode processar a focalizao controlando o disparo de alguns elementos piezoeltricos ou retardando a emisso dos pulsos recebidos. A imagem ultrassonogrfica composta por sinais de intensidade varivel relacionada aos efeitos acsticos decorrentes da interao da onda sonora com o meio, em especial a capacidade de reflexo do som pelos tecidos com impedncias acsticas diferentes.Depende de variveis como presso , temperatura, compressibilidade, densidade, velocidade do som no meio.Como a temperatura nos meios internos e a presso externa so relativamente estveis a impedncia depende basicamente da dendidade, compressibilidade e da velocidade do som no meio.Quando o feixe sonoro atravessa uma interface entre dois meios com a mesma impedncia acstica, no h reflexo e a onda toda transmitida ao segundo meio. a diferena de impedncia acstica entre dois tecidos que define a quantidade de reflexo na interface, promovendo sua identificao na imagem. Por exemplo, um ndulo no fgado ser mais facilmente identificado se sua impedncia acstica for bastante diferente do parnquima heptico ao redor, ao contrrio, quanto mais prxima sua impedncia acstica do parnquima heptico normal, mais dificuldade teremos em identific-lo, porque pouca reflexo sonora ocorrer Reflexo e refrao ocorrem quando h diferena de impedncia acstica numa interface.Quanto maior o coeficiente de reflexo, maior a intensidade do eco recebido e menor a transmisso do feixe de um meio ao outro.Diferena de impedncia entre o ar e os tecidos moles de cerca de 1:4050, justifica a necessidade do uso do gel, caso contrrio todo o feixe seria refletido na interface transdutor/arLimita o alcance dos transdutores de alta freqncia, que determina importante estratgia np exame ultrassonogrfico: a escolha do transdutor. Resoluo a capacidade de um mtodo em discriminar dois fenmenos discretos.Resoluo espacial representa o menor espao entre dois pontos reconhecveis como separados numa imagem.Durao dos pulsos: quanto mais curtos, maior capacidade de discriminao

    Lobos centrais carregam maior parte da energia acsticaElementos piezoeltricos diferentes daqueles que emitiram os pulsos captam os ecos gerados pelos lobos laterais gerando ambigidade de localizao espacial, degradando a imagem sobretudo em relao a refletores de alta intensidade. Reduo desse efeito pode ser feita atravs de ajuste de foco e freqncia. Formao de artefato em volume parcial quando as estruturas so menores que a espessura do feixe numa determinada regio.Dois elementos presentes na mesma posio do plano de insonao, porm em posies diferentes ao longo do eixo terceiro eixo, contribuiro simultaneamente para o mesmo pixel.Do mesmo jeito estruturas csticas de contedo anecide podem apresentar artefatos no seu interior decorrentes de volume parcial de suas paredes.Resoluo temporal: capacidade de produzir o maior numero de quadros num determinado intervalo de tempo..

    Capacidade do sistema em produzir um maior n de quadros num mesmo intervalo de tempo.

    Cada leito vascular possui velocidades caracterscitas.Velocidade de varredura: maior ou menor detalhe do espectro.