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