Ultra som

Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicos

e Aplicações

SEL 705 - Fundamentos Físicos dos Processos de Formação de Imagens

Professor: Dr. Homero Schiabel

Aluna: Paula Zitko

Índice

Intervalos Sonoros;

Histórico; – Ecolocalização em Golfinhos;

– Sonar;

Características do Som; – Expansão e Contração;

– Comprimento, Amplitude, Período e Velocidade;

– Freqüência;

Fenômenos Sonoros;

Scanner e Transdutores;

Formação da Imagem;

Aplicações

O que é o Ultra-Som?

Vibração Sonora;

freqüência acima daquelas que podem ser detectadas

pelo ouvido humano (20 mil ciclos por segundo);

Usado clinicamente em várias especialidades:

obstetrícia, odontologia, fisioterapia, estética,

ginecologia;

Não emite radiação ionizante (causa efeitos

biológicos)

Ultra-Som X Intervalos Sonoros

20Hz 20000Hz

Infra-Sons Ultra-Sons Audição Humana

Elefantes

(2 km)

Cão, morcego

E golfinho

Histórico

Pioneiros

1794 – Lazzaro Spallanzini (orientação dos morcegos) - ecolocalização

1880 - Jacques e Pierre Curie (caracterização física de alguns cristais) – Apito de cachorro (10 a 40 KHz)

O estudo do ultra-som foi impulsionado com objetivos militares e industriais – 1917 - construção do SONAR

Apito para cães

Sonar - Sound Navigation And Ranging

Paul Langevin (físico Francês – 1917) - localizar

submarinos alemães

Não foi usado antes do final da primeira guerra

mundial (1914–1918)

Esquema simplificado do sonar – O aparelho emite ultra-sons (em

vermelho) que atingem o objeto (em azul), sendo refletidas sobre a

forma de eco (em verde) e voltando ao aparelho receptor. Com base

no tempo entre a emissão e a recepção, é calculada a distância (r)

Pioneiros

Douglas Howry

W. Roderic Bliss,

1948-1949 - primeiro

sistema com objetivo

médico

1950 - primeira

imagem seccional

Imagens em preto e branco e sem gradações

Fim da 2ª Guerra Mundial => Pesquisa em

aplicações médicas

Pioneiros

Kossof

(Austrália)

1971 - introdução da

escala de cinza na

imagem - diversos níveis

de intensidade de ecos

são representados por

diferentes tons de cinza

1980 - 1990 - impulso da ultra-sonografia pelo

desenvolvimento tecnológico, transformando-a em um

importante método de investigação diagnóstica

Características do Som

O que é o Som?

Som = Vibração da matéria;

Transmissão:

Meios materiais

Meios elásticos

Propagação do Som

Objeto vibra = O movimento das partículas carrega e transmite a vibração.

Expansão - compressão e corresponde à pressão máxima da propagação sonora

Contração - rarefação e corresponde à pressão mínima da propagação sonora.

Esquema de Onda Sonora

Individualmente as ondas sonoras são caracterizadas por:

O comprimento de onda , é a menor distância que vai de uma crista à outra ou de uma depressão à outra.

A amplitude é a distância que vai de uma crista ao eixo de propagação da onda. Pode ser também a distância do ponto máximo da depressão ao eixo de propagação.

Período é o tempo gasto para que uma oscilação seja completada. No exemplo da figura 2, o período é de 1 segundo.

A velocidade de propagação das ondas é constante para um determinado meio.

Esquema de Onda

Velocidade da propagação do som em diversos meios

Meio Velocidade (m/s)

Ar 330

Água doce 1435

Sangue 1560

Músculo 1570

Gordura 1580

No vácuo, onde não existe o indispensável meio material que o transporte, o

som não se propaga.

Freqüência de uma Onda

A freqüência = número de oscilações por segundo;

A unidade é chamada de hertz (Hz).

As ondas tem a mesma freqüência da fonte emissora, independente do meio em que se propaga;

Período (inverso da freqüência);

Esquema de Onda

F=1/T

T=1/F

Ex: onda de 20 HZ

Fenômenos Sonoros

Interface:

Transmitida;

Refletida;

Refratada...

Onda Sonora

•Comportamento do som;

Reflexão

Quando encontra um meio que não pode ser contornado a onda

"bate e volta“;

Mudança de direção de propagação da energia ;

Retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é

oriunda;

O ângulo de incidência tem valor igual ao valor do ângulo de

reflexão;

USO: A reflexão luminosa é a base da construção e utilização dos espelhos.

Diagrama simples ilustrando o fenômeno da reflexão.

Ângulo de

Incidência

Ângulo de

Reflexão

Normal

Reflexão

Reflexão => Reforço,

Reverberação e Eco;

Ouvido humano capaz de

discernir 2 excitações

breves e sucessivas em

um intervalos maior ou

igual a 1/10 segundo;

Reforço

o som refletido chega ao

tímpano antes do décimo de

segundo;

reforça a excitação do

tímpano e reforça a ação do

som direto.

Reverberação

o som breve refletido chega ao ouvido antes que o tímpano, já excitado pelo som direto, tenha tempo de se recuperar da excitação (fase de persistência auditiva).

Chama-se reverberação o fato de tantas

reflexões chegarem ao ouvinte que ele não as pode distinguir umas das outras.

É a chamada continuidade sonora e o que ocorre em auditórios acusticamente mal planejados.

Eco

reflexão de som que chega ao ouvinte

pouco tempo depois do som direto;

obstáculo necessita estar a mais do

que 17 metros de distância=>

velocidade do som no ar (340 m/s)

Exemplos: eco produzido no fundo de

uma escadaria, por um edifício, ou em

uma sala, pelas paredes;

Refração

A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio;

alteração da direção do feixe transmitido em relação ao feixe incidente;

passagem da onda por meios com diferentes índices de refração;

mudança no comprimento e velocidade, freqüência permanece a mesma;

Note como o cano verde

parece se quebrar dentro

dos copos

Refração do ar para a água

- Falta de ângulo impede a refração e

leva à reflexão

Difração

•A onda tem a capacidade de contornar obstáculos;

•A difração sonora é imensa por ter seu comprimento muito

grande - enorme quando comparado com o comprimento de

onda da luz

Interferência

representa a superposição de duas ou mais

ondas num mesmo ponto;

Interferência Construtiva

caráter de reforço quando as fases

combinam (interferência construtiva).

Exemplo: Quando escutamos música em nosso lar, percebemos que certos

locais no recinto é melhor para se ouvir a música do que outros. Isto é

porque nestes pontos as ondas que saem dos dois alto-falantes sofrem

interferência construtiva

Interferência construtiva

Interferência Destrutiva

caráter de aniquilação, quando as fases não

são as mesmas (interferência destrutiva)

Ex: Ao contrário, os locais onde o som está ruim de ouvir é causado pela

interferência destrutiva das ondas.

Fig.11 - Interferência destrutiva

Impedância

Todo meio material elástico oferece uma certa "resistência" à transmissão de ondas sonoras;

Mesma impedância => não há reflexão (toda transmitida);

É a diferença de impedância acústica entre dois tecidos que define a quantidade de reflexão na interface, promovendo sua identificação na imagem; – Ex: um nódulo no fígado será mais facilmente identificado se

sua impedância acústica for bastante diferente do parênquima hepático ao redor;

quanto maior a diferença de impedância entre duas estruturas, maior será a intensidade de reflexão

Impedância acústica de alguns materiais

Material (106 Rayls)

Ar 0,0004

Gordura 1,38

Água 1,48

Músculo 1,70

Outros tecidos moles 1,63

Osso 7,80

Ex: a diferença de impedância entre o ar e os tecidos moles, que justifica a necessidade do

gel de acoplamento acústico utilizado para aumentar o contacto entre a pele e o transdutor,

caso contrário o feixe seria refletido.

Efeito Doppler

som é gerado ou refletido por um objeto em

movimento;

Há mudança na percepção do som;

Scanner e Transdutor

Equipamento Scanner

• Processo onde lança ondas de som em um

corpo;

• as reflexões das ondas de som são

capturadas por uma máquina, que as

transforma então em uma imagem que pode

ser lida;

•O Ultra-som é um recurso que não envolve o

uso de radiação ou qualquer tipo de soluções

de contraste que precisam ser engolidos ou

injetados;

• Este é com certeza um método seguro, rápido

e muito efetivo para certos tipos exames

médicos.

Transdutores

FG-32ua (by Pentax ®)

Transdutor Endoscópico

EUP-OL334

Transdutor Laparoscópico

EUP-ES322

EUP-ES533

Transdutores Trans-Esofágicos

C3-7ED - SonoAce

Transdutor Convexo

Transdutores e Elementos piezoelétricos

Elementos piezoelétricos Emite eletricidade

Transforma

energia elétrica em

mecânica (onda

sonora)

efeito piezoelétrico inverso

transmissores e receptores simultaneamente.

Transdutores

•Produz e recebe ecos (normalmente 1% da onda emitida);

•Quanto maior a freqüência, menor o comprimento da onda

sonora e melhor a resolução espacial;

•transdutores (de 3,5MHz) : exame de tecidos profundos,

como o abdômen, útero;

• transdutores (maiores que 7,5MHz): exame de tecidos

superficiais, como a mama, tireóide, pele, testículo, etc.

Esquema simplificado de transdutor com

elemento cerâmico único

Transdutores

Transdutores - Funcionamento

Meio homogêneo – propagação em linha reta;

Meio Heterogêneo – as ondas são refletidas a cada densidade diferente, retornando ecos;

Emissor e receptor;

Ecos provenientes de interfaces perpendiculares às ondas são recebidos;

De acordo com o tempo de emissão e recepção, estabelece-se a profundidade da imagem;

quanto mais longe está a estrutura da superfície do transdutor, ela aparecerá em situação mais inferior na tela.

Esquema ilustrativo

de um transdutor.

Formação de imagens por Varredura

Existem vários métodos para se extrair uma

imagem a partir dos ecos:

A-MODE (amplitude mode);

B-MODE (brightness mode);

M-MODE (motion mode).

Informações espaciais

Informações sobre

movimento/velocidade

Muitos equipamentos podem operar com uma combinação dos modos

Modo A – Amplitude

Mais antigo (1930);

fornece informações unidimensionais;

muito utilizado em oftalmologia;

Diagnostica tumores, corpos estranhos e descolamento da retina;

Modo A – Amplitude

Usa um transdutor que emite um pulso no tecido, o sistema então, lê e plota ao longo do tempo os sinais que retornam;

Características:

Detecção das reflexões nas interfaces;

Tempo de ida-volta proporcional à profundidade de cada interface;

Produz uma única imagem de ecos recebidos de apenas uma posição da sonda;

Modo B - Brilho

mais utilizado;

imagens em duas dimensões;

Os princípios são os mesmos

daqueles do mapeamento A exceto

que o transdutor é movimentado;

estabelece informação sobre a

estrutura interna do corpo;

tem sido usado no diagnóstico do

fígado, mama, coração e feto;

pode detectar gravidez muito cedo, e

pode estabelecer informação sobre

anomalias uterinas.

Ultra-som de mama

Ultra-som no acompanhamento gestacional

Modo M – Movimentação Temporal

gráficos de movimentação temporal;

bastante empregado em ecocardiografia;

O modo M combina certas características do modo A e o modo B;

O transdutor é mantido estacionário como no modo A e os ecos aparecem como pontos no modo B.

Ecocardiografia em Modo M -

ambos ventrículos rodeados

de abundante derrame

pericárdico

As principais peculiaridades do método ultra-sonográfico são:

– é um método não-invasivo ou minimamente invasivo;

– as imagens seccionais podem ser obtidas em qualquer orientação espacial;

– não apresenta efeitos nocivos significativos dentro do uso diagnóstico na medicina;

– não utiliza radiação ionizante;

– a aquisição de imagens é realizada praticamente em tempo real, permitindo o estudo do movimento de estruturas corporais.

Principais Aplicações

Aplicações no Diagnóstico da Mama

Método de complementação de imagens

mais importante no diagnóstico da mama;

Emprego:

– Diagnóstico de cistos;

– Avaliação de lesões sólidas;

– Comprovação de carcinomas;

– Marcação pré-operatória; Ultra-som da mama

Diagnóstico de Cistos

Comprovação ou não da existência do cisto;

Taxa de acertos 100%;

Empregado para a avaliação de achados palpáveis;

Quando há a evidência de um ou mais cistos, e desde que não exista nenhuma outra imagem adicional (micro calcificações), geralmente não há necessidade de partir para um procedimento cirúrgico;

Evita biopsias desnecessárias em cistos simples.

Ultra-som da mama com nódulo

Diferenciação entre achados sólidos (benignos/malignos)

Diferenciação entre carcinoma e

fibroadenoma;

Ultra-som é usado como método

complementar quando os achados –

geralmente palpáveis, não são

completamente delimitáveis do ponto de

vista mamográfico no tecido denso;

Comprovação de Carcinomas

Carcinomas hipoecóicos, situados em tecido

rico em gordura, a detecção geralmente é

prejudicada - ecos de baixa intensidade

(cinza escuro); (mamografia);

Tecido bastante ecogênico (imagens cinza-

claras), os carcinomas (maioria pouco

ecogênico), são facilmente identificáveis;

Aplicação na Ginecologia

•Verificar o tamanho de útero e os

ovários;

•Avaliar diagnósticos de Patologias

Mamárias;

•Avaliar possíveis existências de

tumores malignos no útero e

ovários;

•Gerenciar infertilidade dos ovários;

Ultra-som endovaginal

Ultra-som transvaginal

Aplicação na Obstetrícia

•Confirmar a gravidez;

•Determinar a idade do feto;;

•Avaliar se há gravidez múltipla;

•Avaliar o bem estar fetal;

•Detectar mal formações fetais;

•Realizar “check up” morfológicos nos

órgãos fetais;

•Determinar com precisão o sexo do feto;

•Ajudar o obstetra na decisão de ter que

fazer um parto mais cedo ou não, quando

a gravidez é de risco

Ultra-som fetal

Ultra-som 3D de Gêmeos

Uni vitelinos

Aplicações : Ultra-Som 2 D

Método Convencional;

O ultra-som é feito inicialmente pelo modo bidimensional (crescimento e morfologia do feto);

depois são feitas as reconstruções tridimensionais;

A diferença entre o que é visto num ultra-som comum e no 3D é a mesma de um desenho só com o contorno e outro pintado e finalizado;

Aspecto de meningomielocele

Aplicações : Ultra-Som 3 D

inovação do método 2D;

imagens obtêm uma qualidade quase fotográfica;

ajuda a avaliar tumores e a verificar o volume dos órgãos;

a possibilidade de olhar o bebê em 360 graus também melhora muito o vínculo afetivo entre mãe e filho

Aspecto de meningomielocele

Aspecto de meningomielocele ao ultra-som convencional e ultra-som 3D.

Aspecto de meningomielocele

Vantagens do Ultra-som 3D

mais fácil saber o sexo do bebê;

imagens mais reais;

detalhes de malformações;

Identifica se bebês gêmeos estão na mesma placenta ou não;

posição do feto se o cordão umbilical está em torno do pescoço;

mais preciso no diagnóstico do câncer de mama em jovens;

capaz de identificar melhor certas anomalias do útero.

Limitações Ultra-som 3D

precariedade da avaliação das

estruturas fetais internas;

Aplicações : Ultra-Som 4 D

O ultra-som 4D é a imagem

do 3D gerada em tempo

real;

O 1º equipamento que

realiza Ultra-Som 3D em

tempo real (4D), foi lançado

no mercado internacional

em outubro de 2001;

Medicina Interna

Abdome

– Fígado

– Vias Biliares

– Pâncreas

Tireóide

Ultrasonografia da tireóide

Cardiologia

Doença coronariana;

Doenças do músculo

cardíaco;

Doenças do pericárdio;

Tumores cardíacos;

Cardiopatia hipertensiva;

Doenças cérebro-vasculares

Ecocardiografia fetal –

demonstrando aneorisma do átrio

direito - AN

Caracterização do Tecido Ósseo

Diagnóstico de osteoporose;

Mais simples que os métodos de densitometria óssea por raio X;

A velocidade de propagação das ondas de ultra-som é medida somente dentro do osso, sem a contribuição de o tecido mole que o rodeia.

Oftalmologia

Detecta membranas muito finas;

detecta pequenos tumores mostrando características

internas do tecido.

Consegue captar imagens em tempo real com

movimento das membranas intra-oculares ou tração

vítreo-retiniana.

Ultra-sonografia Oftalmológica no modo B

Ultra-som com Doppler

informações quantitativas e qualitativas quanto a seu fluxo sangüíneo;

possui grande número de aplicações das quais podemos citar a avaliação de:

– doenças venosas tromboembólicas;

– lesões ateroscleróticas obstutivas das artérias;

– pacientes pós transplante renal;

– infertilidade e desenvolvimento precoce do embrião ;

– fluxo vascular em processos neoplásicos .

realiza pela cor e por gráficos, a medida do fluxo das artérias e veias.

Hepatocarcinoma e aspecto característico dos vasos nutridores

Efeitos biológicos do Ultra-som

efeitos fisiológicos do calor:

Aumento no metabolismo;

Vasodilatação;

Diminuição da viscosidade dos líquidos;

Mas o US não produz apenas calor, mas também: micro-massagem (redução de edema);

Correntes acústicas (pode aumentar a permeabilidade nas células);

Ondas estacionárias; aumento das taxas de difusão de íons através das membranas celulares.

Vantagens

Relativamente barato (U.S convencional);

Rápido;

Imagens em tempo real;

É possível gravar imagens duvidosas para análise posterior;

Isento de risco (faixa Terapêutica);

Desvantagens

Depende muito da habilidade do operador do

aparelho;

Resolução espacial muito abaixo daquela obtida

com TC e RMN;

Bibliografia

COSTA, MM, DIAS, EN, SILVA, HMS, FIGUEIRA F., ASS. Câncer de Mama para Ginecologistas. Editora Revinter. 1994.

Empresa Siemens, http://www.siemens.com/, acesso em 052007

Ensino de física à distância, Bertulani C. A, http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/ondas2/ondas2.html, acesso em 21/05/2007

Fundação Odontológica de Ribeirão Preto - FORP – USP. Ultra-som. Disponível em ttp://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm#Intro. Acesso em 28/03/07.

KÖBRUNNER, Sylia H. Heywang, SCHREER, Ingrid, DERSHAW, D. David, FRASSON, Antonio. MAMA Diagnóstico por Imagem. Rio de Janeiro: Revinter, 1999. 412p

MedSom – Equipamentos médicos. Disponível em: http://www.medson.com.br/. Acesso em 25/04/2007

NEPOMUCENO, L. X., Tecnologia Ultra-Sônica. Editora Edigar Blücher Ltda. 1980

Reseller Web – Mídia de Negócios. Disponível em: http://www.resellerweb.com.br/noticias/artigo.asp?id=90093. Acesso em 06/04/2007

ROCHA,DC, BAUAB, SP. Atlas de Imagem da Mama. Editora Savier. 1995.

Terra Notícias, Disponível em : http://noticias.terra.com.br/ciencia/interna/0,,OI920212-EI238,00.html. Acesso em 02/04