INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA · REFLEXÃO E REFRAC ÇÃO Reflexão e refrac ção dos ultra -sons de modo semelhante à luz . Num interface plano entre dois meios de propaga

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Outubro de 08 Jaime Santos 1

INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA

Licenciatura em Engenharia Biomédica

da

FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

DA

UNIVERSIDADE DE COIMBRA

Produzido por:

JAIME BATISTA DOS SANTOS

DEEC - FCTUC


TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS


RESUMO

� Introdução

� Ultra-sons. Princípios Básicos.

� Propagação de ondas acústicas.

� Transdutores.

� Inspecção por Ultra-sons. Técnicas: “Pulso-eco” e “Modo transmissão” . Equipamento.

� Atenuação.

� Reflexão e Refracção.

� Aplicações.

� Representação dos resultados: A-scan; B-scan e C-scan.

� Sistemas de Imagem em aplicações clínicas: Imagens 2D; 3D e 4D. Doppler

� Vantagens e Limitações.

� Aplicações de diagnóstico.

� Aplicações terapeuticas


�� ONDAS ACONDAS ACÚÚSTICAS COM FREQUÊNCIAS SUPERIORES STICAS COM FREQUÊNCIAS SUPERIORES ÀÀS S

DETECTADAS PELO OUVIDO HUMANO (DETECTADAS PELO OUVIDO HUMANO (aproxaprox. 20KHz ).. 20KHz ).

�� VIBRAVIBRAÇÇÃO MECÂNICA DE PARTÃO MECÂNICA DE PARTÍÍCULAS NUM MEIO CULAS NUM MEIO

(MATERIAL) (MATERIAL) –– PROPAGAPROPAGAÇÇÃO DA ENERGIA DA ONDA.ÃO DA ENERGIA DA ONDA.

� GAMA DE FREQUÊNCIAS USADAS EM TESTES: 100KHz A GAMA DE FREQUÊNCIAS USADAS EM TESTES: 100KHz A

CENTENAS DE MEGAHERTZCENTENAS DE MEGAHERTZ.

�MEDICINA: DIAGNÓSTICO USA FREQUÊNCIAS A PARTIR DE 3 MHz

Ultra-sons - Princípios Básicos


�� COMPRIMENTO DE ONDACOMPRIMENTO DE ONDA, λλλλ:

� DistânciaDistância entre entre doisdois picospicos ouou doisdois vales vales ououtempo tempo queque a a fontefonte levaleva parapara executarexecutar umauma vibravibraççãoãocompletacompleta..

� FREQUÊNCIA, FREQUÊNCIA, f f ::

� NNúúmeromero de de oscilaoscilaççõesões porpor segundosegundo, , Hz.Hz.

� VELOCIDADE DA ONDAVELOCIDADE DA ONDA, v

� vv = = λλλλλλλλ f (f (mm//s)s)

Ultra-sons - Princípios Básicos(cont).


�� DOIS TIPOS FUNDAMENTAISDOIS TIPOS FUNDAMENTAIS

��OndasOndas longitudinaislongitudinais ouou de de compressãocompressão

��OndasOndas ““shearshear”” ouou transversaistransversais

MODOS DE PROPAGAMODOS DE PROPAGAÇÇÃOÃO

Ondas longitudinaisOndas longitudinais

� OscilaOscilaççõesões nana direcdirecççãoão do do movimentomovimento

Movimento dos Movimento dos áátomostomos��

DirecDirecçção ão da onda da onda

�



MODOS DE PROPAGAMODOS DE PROPAGAÇÇÃOÃO

�� Ondas Ondas ““shearshear””

� OscilaOscilaççõesões nana direcdirecççãoão perpendicular perpendicular aoao movimentomovimento dadaondaonda

Movimento dos Movimento dos áátomostomos�

DirecDirecçção ão da onda da onda

�



SistemaSistema de de inspecinspecççãoão UTUTConstituiConstituiççãoão::

GERAGERAÇÇÃO DE ULTRAÃO DE ULTRA--SONSSONS

“Pulser/ Receiver”, Transdutor(es) e dispositivo de visualização. � Pulser / Receiver : Dispositivo Electrónico que produz o pulso

eléctrico. � Transdutor : gera pulsos de alta frequência.

- Converte energia eléctrica em vibrações mecânicas (som) e vice-versa.- O transdutor tem a capacidade funcionar como transmissor e receptor



GERAGERAÇÇÃO DE ULTRAÃO DE ULTRA--SONS (CONT.)SONS (CONT.)

�� USO DE SINAIS ELUSO DE SINAIS ELÉÉCTRICOS DO TIPO:CTRICOS DO TIPO:

�� SINUSOIDAL ( trem de sinusSINUSOIDAL ( trem de sinusóóides).ides).

�� ““SPIKESPIKE””..

�� IMPULSO.IMPULSO.

�� Objectivo: Objectivo: ExcitaExcitaçção do transdutor. ão do transdutor.

�� Transforma a energia elTransforma a energia elééctrica em vibractrica em vibraçções ões

mecânicas e transmite essas vibramecânicas e transmite essas vibraçções para o ões para o

meio em que estmeio em que estáá inserido.inserido.



InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica -- PrincPrincíípiospios

�As ondas ultra-sónicas são introduzidas no material, propagam-se ao longo deste com velocidade constante.

�Em interfaces (entre meios distintos) parte daenergia da onda é reflectida e parte é transmitida.

�A quantidade de energia reflectida ou transmitidapode ser detectada e providenciar informaçãoacerca do tamanho do reflector.

�O tempo de propagação da onda pode ser medido, proporcionando informação acerca da distânciapercorrida.


� Inspecção por ultra-sons:

� Método de inspecção muito versátil.

� As inspecções podem ser realizadas com recurso a diferentes técnicas.

� As técnicas de inspecção por ultra-sons são emgeral divididas em três classificações primárias.

� Pulso-eco e Modo Transmissão.

� Feixe Normal e Feixe Angular

� Contacto e Imersão.

InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas


0 2 4 6 8 10

Pulsoinicial

Ecofissura

Eco superfícieoposta

Display de equipamento UT

Objecto

fissura

� O transdutor funciona como emissor e receptor.O transdutor funciona como emissor e receptor.

�� As ondas ultraAs ondas ultra--ssóónicas são reflectidas na face oposta da penicas são reflectidas na face oposta da peçça e na a e na descontinuidade na forma de ecos.descontinuidade na forma de ecos.

�� O tempo de propagaO tempo de propagaçção corresponde a duas vezes a espessura da ão corresponde a duas vezes a espessura da pepeçça.a.

InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasTTÉÉCNICA PULSO CNICA PULSO -- ECOECO


�� ÉÉ enviadoenviado um um pulsopulso de de curtacurta duraduraççãoão. .

�� O tempo de O tempo de propagapropagaççãoão ( ( idaida e e voltavolta ) do ) do pulsopulso éémedidomedido. .

Am

plit

ude

Am

plit

ude

Tempo (profundidade)Tempo (profundidade)

A-scanPulso de emissãoPulso de emissão

ecosecosA

B C

A

B

Cosciloscosciloscóópiopio

InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasTTÉÉCNICA PULSO CNICA PULSO –– ECO (CONT)ECO (CONT)


InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasTTÉÉCNICA PULSO CNICA PULSO –– ECO (CONT)ECO (CONT)

EXEMPLOEXEMPLO


ATENUAATENUAÇÇÃOÃO ULTRASSONORAULTRASSONORA

�� Os ultraOs ultra--sons sofrem dispersão e absorsons sofrem dispersão e absorçção ao ão ao

propagarempropagarem--se num dado meiose num dado meio::�� ReduReduçção em intensidade ão em intensidade éé designada por atenuadesignada por atenuaççãoão

� A variaA variaçção na intensidade ão na intensidade ∝∝∝∝∝∝∝∝ distânciadistância

� αααααααα = coeficiente de atenua= coeficiente de atenuaçção ão �� depende do materialdepende do material


x-e αo

II = � Io é a intensidade inicial


Distância

Inte

nsi

dad

e

Io

ααααdecr

escen

te

ATENUAATENUAÇÇÃOÃO ULTRASSONORAULTRASSONORAInspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicas


COEFICIENTE DE ATENUACOEFICIENTE DE ATENUAÇÇÃO ÃO ((αααααααα))

�� RearranjandoRearranjando a a equaequaççãoão anterior anterior vemvem::

�� AplicandoAplicando logaritmoslogaritmos naturaisnaturais xI

I

o

ln α−=

xα−= eI

I

o

Np/m lnx

1-

=

oI

Iα


1 Np = 8.685889638 dB


ATENUAÇÃO EM FUNÇÃO DA FREQUÊNCIA

1.0 10 100 1000

Frequency (MHz)

0.1

1.0

10

100

1000

Att

enua

tion

Coe

ffic

ient

(dB

m-1

)

água

Hemog

lobina

baço

Pulmõe

speleai

r


Dispersão dos Ultra-sons

� Mecanismos de atenuação:� absorção (dissipação de calor) � Dispersão (“scattering”)

� depende da relação entre o tamanho da partícula (a) e o comprimento de onda (λ)

Escala de Interacção

Dependênciada frequência

Tipo de dispersão

Exemplos

a >> λλλλRegiãogeométrica

f 0=1 (não hádependência) Forte

Diafragma, artérias, tecidos moles, ossos,quistos

a ~ λλλλRegiãoEstocástica

f2 Moderada Predominante,maiorparte das estruturas

a << λλλλ f4

Fraca Blood


TTÉÉCNICA EM MODO TRANSMISSÃOCNICA EM MODO TRANSMISSÃO

Transdutor Transdutor emissor emissor

PePeçça a testara a testar

descontinuidadedescontinuidade

� Um transdutor funciona Um transdutor funciona como emissor e o outro como emissor e o outro receptor.receptor.

�� As ondas ultraAs ondas ultra--ssóónicas nicas são recebidas na face oposta são recebidas na face oposta pelo receptor e reflectidas pelo receptor e reflectidas na descontinuidade.na descontinuidade.

�� O tempo de propagaO tempo de propagaçção ão corresponde corresponde àà espessura da espessura da pepeçça.a.

Transdutor receptorTransdutor receptor



TTÉÉCNICA EM MODO TRANSMISSÃO (CONT.)CNICA EM MODO TRANSMISSÃO (CONT.)


T R

T R

11

20 2 4 6 8 10

2

11

Ultra-sons parcialmente bloqueados Redução da amplitude do sinal recebido


θθθθθθθθii θθθθθθθθrr

θθθθθθθθtt

Velocidade no meio 1= v1

Velocidade no meio 2= v2

i rθ = θ

REFLEXÃO E REFRACREFLEXÃO E REFRACÇÇÃO ÃO

� ReflexãoReflexão e e refracrefracççãoão dos ultrados ultra--sons de sons de modomodo semelhantesemelhante àà luzluz..

� Num interface Num interface planoplano entre entre doisdois meiosmeios de de propagapropagaççãoão::

� Parte do feixe é reflectida e o restante é transmitido.

� As leis de reflexão e refracção mantém-se.

Meio 1Meio 1

Meio 2Meio 2

Lei de Lei de SnellSnell


2

1

V

V

t

i =θ

θ

sin

sin


�� NumaNuma situasituaççãoão de de incidênciaincidência normal, a normal, a fracfracççãoão do do sinalsinal reflectidoreflectido

entre o entre o meiomeio 1 e o 1 e o meiomeio 2 2 éé funfunççãoão do do coeficientecoeficiente de de reflexãoreflexão,,

emem queque::

� Z é a impedância acústica dada por:� v é a velocidade dos ultra-sons e ρρρρ é a densidade

� Para mínima reflexão, as impedâncias dos meios devem ser o mais próximas possível.

� A fracção do sinal transmitido é:

2

1 2

1 2

Z ZR

Z Z

−=

+

Z v= ρ

( )1 2

2

1 2

4Z ZT

Z Z=

+

REFLEXÃO E REFRACREFLEXÃO E REFRACÇÇÃO (CONT.) ÃO (CONT.)


21

22ZZ

ZT

+=

21

12

ZZ

ZZR

+

−=


IMPEDÂNCIAS ACIMPEDÂNCIAS ACÚÚSTICASSTICAS

Material Impedance, Z(kg m-2 s-1)

Ar 0.0004 × 106

Aço 1.61× 106

Acrílico 1.38× 106

Tecido humano 1.63× 106

Músculo 1.70× 106

Água 1.48× 106



VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO EM ALGUNS MEIOS

00 10001000 20002000 30003000 40004000 50005000 60006000

bonebonenatural rubbernatural rubber

gall stonegall stone

toothtooth brassbrass

glassglass

steelsteelgelatine (10%)gelatine (10%)

PerspexPerspexdry dry airair

lunglung

4080Crânio

1620Globo ocular

1585Musculo

1570Sangue

1561Rim

1549Fígado

1541Cérebro

1540Tecidos moles e água

Velocity at 25°C (m/s)Corpo humano


INCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULARINCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULAR


A A escolhaescolha entre entre inspecinspecççãoão porpor incidênciaincidência

normal e normal e inspecinspecççãoão porpor incidênciaincidência angular, angular,

dependedepende emem geralgeral de de duasduas consideraconsideraççõesões::

�� DaDa orientaorientaççãoão do do objectoobjecto de de interesseinteresse

a a inspeccionarinspeccionar –– o o somsom devedeve ser ser dirigidodirigido

de de modomodo a a produzirproduzir a a maiormaior reflexãoreflexão a a

partirpartir do do objectoobjecto..

�� EventuaisEventuais obstruobstruççõesões existentesexistentes nana

superfsuperfííciecie dada pepeççaa a a inspeccionarinspeccionar..


1 2

Defeito 0 2 4 6 8 10

FWE

BWE

1IP

0 2 4 6 8 10

FWE

BWEDE

2IP

•• Para Para mmááximaxima transferênciatransferência de de energiaenergia, o , o arar existenteexistente entre o entre o transdutortransdutor e o e o material a material a inspeccionarinspeccionar tem de ser tem de ser removidoremovido. .

AcoplamentoAcoplamento..

•• EmEm inspecinspecççãoão porpor contactocontacto,, (mostrado em slides anteriores) é usado um acoplante tais como a água, óleo ou gel que é aplicado entre o transdutor e o meio a inspeccionar.

•• EmEm inspecinspecççãoão porpor imersãoimersão,, o material e o transdutor são colocados num banhode água. Esta configuração, permite deslocar o transdutor sobre a peçaobjecto de inspecção, mantendo sempre um acoplamento consistente.

• No teste por imersão, surge um eco adicional proveniente da superfície frontal da peça.

IP = Pulso Emissão

FWE = Eco Frontal

DE = Eco do Defecto

BWE = Eco de Fundo

InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica-- TTéécnicascnicasContacto versus Imersão


APLICAAPLICAÇÇÕES ÕES

� CaracterizaCaracterizaçção de materiais e estruturas:ão de materiais e estruturas:

�� DetecDetecçção e caracterizaão e caracterizaçção de defeitosão de defeitos: : fissuras, inclusões, porosidade, etc.

� Avaliação de erosão e corrosão medição de espessuras. (A(A--SCAN)SCAN)

�� CaracterizaCaracterizaçção da microestrutura (estimaão da microestrutura (estimaçção do tamanho de grão em ão do tamanho de grão em metais).metais).

�� Inspecção da integridade de ligações em componentes soldados oucolados.

�� Estimação da integridade de compósitos (delaminações após impacto) e plásticos (C(C--SCAN)SCAN)

�� Medicina:Medicina:

�� Tratamentos Tratamentos �� FisioterapiaFisioterapia

�� diagndiagnóóstico de doenstico de doençças as �� realizarealizaçção de imagens (Bão de imagens (B--SCAN) SCAN) ((ecografiasecografias))

InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica -- TTéécnicascnicas


RepresentaRepresentaçção ão AA--ScanScan

InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica

Time

Am

plit

ud

e d

o s

inal

Tempo

Am

plit

ud

e d

o s

inal

� Representação A-scan: visualização da

amplitude do sinal ultra-sónico recebido pelo

transdutor em função do tempo. � O tamanho da descontinuidade (ou

defeito) pode ser estimado comparando a

amplitude do sinal recebido com um de referência (reflector).

� A profundidade da descontinuidade pode

ser determinada medindo o tempo de

propagação do eco (posição do sinal no varrimento horizontal).

Objectofissura


� UltraUltra--sons sons focalizadosfocalizados..

�� OO tempo de tempo de chegadachegada dos dos pulsospulsos a a cadacada transdutortransdutor ddáá a a direcdirecççãoão de de propagapropagaççãoão..

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9

FrenteFrente de de ondaonda focalizadafocalizada

Pulso eléctrico

Atrasos variáveis

“Array” de transdutores

RepresentaRepresentaçção ão BB--ScanScan -- TransdutoresTransdutores multimulti--elementoelemento



� Usando um transdutor multi-elemento, pode ser formada uma imagem 2-D designada por imagem modo B

Sistema de imagem B-Scan

TransducerTransducerarrayarray

XX

YY

X

Y

Computer displayComputer display

RepresentaRepresentaçção ão BB--ScanScan



RepresentaRepresentaçção ão BB--ScanScan -- ExemploExemploInspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanica

Imagem cardImagem cardííaca aca –– quatro cavidades.quatro cavidades.


Three-axesThree-axessystemsystem

Water tankWater tank

Sistema com 3 eixos

Tanque com água

RepresentaRepresentaçção ão CC--ScanScan –– Amplitude e TOFAmplitude e TOF


� A representação C-scan: visualização de uma secção da peça perpendicular aofeixe ultra-sónico.� As representações (imagens) C-scan são produzidas com recurso a um sistemaautomático de aquisição de dados: varrimento por imersão. � O uso do A-scan em associação com o C-scan é necessário quando se pretendaconhecer a profundidade.


RepresentaRepresentaçção ão CC--ScanScan –– TimeTime--ofof--flightflight (TOF)(TOF)


ImagensImagens CC--Scan:Scan: CompCompóósitossitos LaminadosLaminados sujeitossujeitos a a ImpactoImpacto

Sequência das camadas: A) (0,90,0,90)2s; B) (0,90)8

(i) impact of 1,5 J; (ii) impact of 2 J;(iii) impact of 2,5 J

(iv) impact of 3 J

AA

BB

(i)(i) ((iiii)) ((iiiiii)) ((iviv))


InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanicaVantagens Vantagens

� A profundidade de penetração, para a detecção ou quantificação de defeitos é

superior a outros métodos.

� É necessário ter, apenas, acesso a um dos lados quando é usada a técnica pulso-

eco.

� Elevada exactidão na determinação da posição dos defeitos bem como na

estimação do seu tamanho e forma.

� Requerem um preparação mínima das peças a inspeccionar.

� Os equipamentos electrónicos disponíveis proporcionam resultados

praticamente instantâneos.

� Podem ser produzidas imagens detalhadas com sistemas automáticos.

� Proporciona, também, a medição de espessuras.


� As superfícies têm de estar acessíveis para a transmissão dos ultra-sons.

� Normalmente requere um meio de acoplamento para promover a transferência de energia para o material em inspecção.

� Materiais que sejam irregular na sua forma, demasiado pequenos, excepcionalmente finos e muito heterogénios são difíceis de inspeccionar.

� Materiais com estruturas de grão grosseiro são difíceis de inspeccionardevido à limitada propagação e elevado ruído no sinal.

� Fissuras orientadas paralelamente à propagação do feixe, podem não ser detectadas.

� Padrões são necessários para a calibração dos equipamentos e eventualmente para a caracterização dos defeitos.

InspecInspecççãoão UltraUltra--ssóónicanicaLimitaLimitaçções ões

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