INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA

INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA – TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 1

INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA

TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS

Licenciatura em Engenharia Bi omédica da

FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA



• Introdução.• Ultra-sons. Princípios Básicos. • Propagação de ondas acústicas.• Transdutores.• Análise 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 terapêuticas.

RESUMO


ULTRA-SONS – PRINCÍPIOS BÁSICOS

• Ultra-sons : Ondas acOndas ac úústicas com frequências superiores sticas com frequências superiores ààs s detectadas pelo ouvido humano.detectadas pelo ouvido humano.

Sub-sons/Infra-sons

Frequência

Ultra-sonsÁudio frequências

20 Hz 20 kHz

• Ondas mecânicas constituídas por oscilações discretas de cada uma das partículas do meio.

• Analogia clássica com o modelo da massa e da mola: ao afastar-se a massa do seu ponto de equ ilíbrio dá origem a uma oscilação.


• Considerando o modelo bidimensional, quando as partículas são excitadas de um dos lados vai surgir uma oscilação harmónica com todas as partículas em fase.

• Na prática, devido às ligações não serem rígidas, os planos supostamente de fase constante, sofrem um atraso, dando origem à c hamada onda elástica.

• Longe das fronteiras do material vamos ter 2 tipos de ondas:

Ondas Lon gitudinais(Compressão)

Ondas Transversais(Shear)

ULTRA-SONS – PRINCÍPIOS BÁSICOS


• As ondas transversais só existem em meios com elasticidade transversal (sólidos).

• Normalmente o valor da sua velocidade de propagação é cerca de metade do valor da velocidade de propagação da onda longitudinal (V L #2VT )

PROGAGAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS

Comprimento de Onda Comprimento de Onda ((O):

Frequência Frequência ((f) f) ::

Velocidade de PropagaVelocidade de Propaga çção da Onda ão da Onda (V)(V)::

Distância entre dois picos ou dois vales ou tempo Distância entre dois picos ou dois vales ou tempo que a fonte leva para executar uma vibraque a fonte leva para executar uma vibra çção ão completa.completa.

NNúúmero de oscilamero de oscila çções por segundo (ões por segundo ( Hz).Hz).

VV = = OO

f (f (mm//s)s)


Ondas longitudinaisOndas longitudinais

ª OscilaOscila çções na direcões na direc çção da propagaão da propaga çção da ondaão da onda

Movimento dos Movimento dos áátomostomos

DirecDirecçção ão da onda da onda

D


D

D


DirecDirecçção ão da onda da onda

D

Movimento dos Movimento dos áátomostomos

Ondas TransversaisOndas Transversais

ª OscilaOscila çções na direcões na direc çção perpendicular ão perpendicular àà propagapropaga çção da ondaão da onda


D D


• Simbologia e unidades mais fr equentemente usadas na caract erização de ondas planas

Z Veloc. Angular rad/s

f Frequência Hz

O Comprimento de onda

m

u Deslocamento das partículas

m

V(C) Velocidade de propagação

m/s

v Velocidade das partículas

m/s

U Massa específica

Kg/m3

F Força N

Símbolo Grandeza Unidade

p(T) Pressão Pa

V Relação de Poisson

-

E Módulo de Young

N/m2

G Módulo transversal

N/m2

Z Impedância acústica

Ns/m3

P Potência acústica

W

J(I) Intensidade acústica

W/m2

Símbolo Grandeza Unidade

)101(

/ 2

barPa

mNPa

P

RmNs 110/ 63



Ondas planas

Pressão acústica ][PauZuVp ZZU

• De uma forma geral a pressão acústica é a grandeza mais importante na caracterização do campo acústico, no entanto podemos ter também interesse no uso da intensidade acústica

]/[2

1

2

1 222

mWuZZ

pJ Z

• A intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude da pressão acústica. A relação é aplicável tanto para ondas transversais como para longitudinais, bastando para cada caso usar a respectiva impedância acústica

][RVZ U



)1(2

1

)21)(1(

)1(

VUVVV

U �

��

E

VE

V TL

• As velocidades dependem de parâmetros físicos dos materiais. Podem ser definidas pelas seguintes expressões

Exemplos:

Aço 5900 3230 45

Alumínio 6320 3130 17

Acrílico 2730 1430 3,2

Água 1483 - 1,5

Quartzo 5800 2200 15,2

Material VL (m/s) VT (m/s) Z (Rayl)



ConstituiConstitui çção:ão: Sistema de inspecSistema de inspec çção UTão UT

“Pulser/ Receiver”, Transdutor(es) e dispositivo de visualização. ª Pulser / Receiver : Dispositivo Electrónico que produz o pulso eléctrico. ª Transdutor : Gera impulsos de alta frequência .

- Converte energia eléctr ica em vibrações mecânicas (som) e vice- versa.- O transdutor tem a capacidade funci onar como transmissor e receptor

TRANSDUTORES


UtilizaUtiliza çção de sinais elão de sinais el ééctricos do tipoctricos do tipo•• SINUSOIDAL ( trem de sinusSINUSOIDAL ( trem de sinus óóides).ides).•• ““ SPIKESPIKE”” ..•• IMPULSOIMPULSO..

ªª Transforma a energia elTransforma a energia el ééctrica em vibractrica em vibra çções mecânicas e transmite ões mecânicas e transmite

essas vibraessas vibra çções para o meio em que estões para o meio em que est áá inserido.inserido.

TRANSDUTORES

•• ExcitaExcita çção do transdutorão do transdutor ..

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

•Em interfaces (entre meios distintos) parte da energia da onda é reflectida e parte é t ransmitida.


• A quantidade de energia reflectida ou transmitida pode ser detectada e providenciar informação acerca do tamanho do objecto reflector.

• O tempo de propagação da onda pode ser medido, proporcionando informação acerca da distância percorrida.

TRANSDUTORES

• Inspecção por ultra-sons :

ª Método de inspecção muito versátil.

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

ª As técnicas de inspecção por ultra-sons são em geral divididas em três classificações primárias:

– Pulso-eco e Modo-Transmissão.

– Feixe Normal e Feixe Angular

– Contacto e Imersão


TÉCNICA PULSO-ECO

0 2 4 6 8 10

Pulsoinicial

Ecofissura

Eco superfícieoposta

Display de equipamento UT

Objecto

fis sura

• 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 pe çça e na a e na descontinuidade na forma de ecos.descontinuidade na forma de ecos.

•• O tempo de propagaO tempo de propaga çção corresponde a duas vezes a espessura da peão corresponde a duas vezes a espessura da pe çça.a.


•• ÉÉ enviadoenviado um pulso de curta duraum pulso de curta dura çção. ão.

•• O tempo de propagaO tempo de propaga çção ( ida e volta ) do pulso ão ( ida e volta ) do pulso éé medido.medido.

Am

plitu

deA

mpl

itude

Tempo (profundidade)Tempo (profundidade)

A-scanPulso de emissãoPulso de emissão

ecosecosA

B C

A

B

Cosciloscosciloscóópiopio

TÉCNICA PULSO-ECO


EXEMPLOEXEMPLO

TÉCNICA PULSO-ECO


Transdutor Transdutor emissor emissor

PePeçça a testara a testar

desco ntinuidadedesco ntinuidade

Ö

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

ÖÖ

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

ÖÖ

O tempo de O tempo de propagapropaga çção corresponde ão corresponde àà espessura da peespessura da pe çça.a.

Transdutor receptorTransdutor receptor

MODO-TRANSMISSÃO


T R

T R

11

20 2 4 6 8 10

2

11

Ultra-sons parcialmente bloqueados Redução da amplitude do sinal recebido

MODO TRANSMISSÃO


•• Os ultr aOs ultr a--sons sofrem dispersão e absorsons sofrem dispersão e absor çção ao propagaremão ao propagarem --se num se num dado meio:dado meio:

ªª

ReduRedu çção da intensidade do sinal ão da intensidade do sinal éé designada por atenuadesignada por atenua ççãoão

ª

A variaA varia çção na intensidade ão na intensidade éé proporcional proporcional àà distânciadistância

ª

DD

= coeficiente de atenua= coeficiente de atenua çção ão ÎÎ depende do materialdepende do material

x-e DoII ª Io é a intensidade inicial

ATENUAÇÃO

Distância

Inte

nsid

ade

Io

D decresc

ente


ªª RearranjandoRearranjando a a equaequa ççãoão anterior anterior vemvem ::

ªª AplicandoAplicando logaritmoslogaritmos naturaisnaturais xI

I

o

ln D� ¸̧¹

·¨̈©

§

xD� eI

I

o

Np/m lnx

1 0 ¸

¹

·¨©

§¸¹

·¨©

§ I

ID 1 Np = 8.686 dB

ATENUAÇÃO


1.0 10 100 1000Frequency (MHz)

0.1

1.0

10

100

1000

Atte

nuat

ion

Coe

ffici

ent (

dBm-1

)

água

Hemog

lobinaba

ço

Pulm

ões

pele

air

ATENUAÇÃO

• Atenuação em função da frequência


• Mecanismos de atenuação:– Absorção (dissipação de calor)

– Dispersão (“scattering”)• depende da relação entre o tamanho da partícula (a) e o

comprimento de onda (O)

Escala de Interacção

Dependênciada frequência

Tipo de dispersão

Exemplos

a >> ODispersãogeométrica

f 0=1 (não hádependência) Forte

Diafragma, artérias, tecidos moles, ossos,quistos

a ~ ODispersãoEstocástica

f2 ModeradaPredominante,namaior parte das estruturas

a << ODispersãoRayleigh

f 4Fraca Sangue

ATENUAÇÃO


REFLEXÃO E REFRACÇÃO

• A presença de defeitos ou outras anomalias em materiais pode ser detectada através de variações de impedância acústica.

• Numa interface entre materiais diferentes existe sempre uma onda reflectida e uma onda transmitida. Os coeficientes de reflexão e transmissão em termos de pressão acústica são dados por

21

12

ZZ

ZZR

��

21

22

ZZ

ZT

�

• Para minimizar reflexão, as impedâncias dos meios devem ser o mais próximas possível.

Z = U

V (Ns/m3)



Exemplo: Transmissão de uma onda plana do aço (Z1 =45 Rayl) para a água (Z2 =1,5 Rayl)

065,0455,1

5,12935,0

455,1

455,1

�u

� ��

TR(a)

Se a transmissão for da água para o aço (b):

R=0,935 T=1,935

O facto da pressão acústica no meio 2, para o caso (b), exceder a pressão da onda incidente não contraria o principio da conservação de energia na interface, pois a intensidade de energia depende do quadrado da pressão, mas também é inversamente proporcional à impedância acústica.

pi

pr pt



Coeficientes de reflexão e transmissão em termos de intensidade acústica

221

212

)(

)(

ZZ

ZZR

��

221

21

)(

4

ZZ

ZZT

�

Pode provar-se a validade das expressões R e T, tanto em termos de pressão como em termos intensidade de potência acústica

Pressão Tem de existir continuidade na interface: pi +pr =pt

Intensidade acústica Ji =Jr +JtTem de existir conservaçãode energia:



TTii TTrr

TTtt

Velocidade no meio 1= v1

Velocidade no meio 2= v2

i rT T

• Reflexão e refracReflexão e refracçção dos ultraão dos ultra--sons de modo semelhante sons de modo semelhante àà luz.luz.

Î Num interface plano entre dois meios de propagaNum interface plano entre dois meios de propagaçção:ão:ª Parte do feixe é reflectida e o restante é transmitido.

ª As leis de reflexão e refracção mantêm-se.

Meio 1Meio 1

Meio 2Meio 2

Lei de Lei de SnellSnell

2

1

V

V

t

i TT

sin

sin

Neste caso o cálculo da pressão acústica é bem mais complexo

Incidência obliqua


RESPOSTA EM FREQUÊNCIA DE TRANSDUTORES

Os transdutores comerciais normalmente vêm acompanhados por especificações tais como: frequência central, curva de resposta em frequência, diâmetro do cristal, etc.

Aspecto típico da resposta de 2 transdutores:

a) Baixo amortecimento, amplitude elevada, elevado Q e banda estreita.

b) Elevado amortecimento, amplitude baixa, baixo Q e banda larga.

12

0

ff

fQ

� Factor de qualidade

f1 e f2 : frequências a -3 dB

f0 : frequência central

Coeficiente de amortecimento

f2f1

B=f2 – f1Largura de banda


CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR

Na banda áudio, as dimensões das fontes são normalmente muito menores do que os comprimentos de onda. Para os transdutores ultra-sónicos essas dimensões são muito maiores que o comprimento de onda, dando origem a 2 zonas distintas do campo acústico:

Campo próximo

Campo distante

Campo próximo: Muitas interferências de várias ondas com fases diferentes

OOO

44

222 DDN #

� D – Diâmetro da fonte

Campo distante: É divergente com um ângulo dado por

Dsen

OT

22,1


CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR

Campo próximo Campo distante

Pressão acústica ao longo do eixo do transdutor

)1)2

(12

1(2 2

0 �� z

Dkzsenpp

z – Distância ao transdutor

D - Diâmetro

k – nº de onda (= 2S

/ O)

Expressão aproximada: z

NppS

0 (onda esférica)

(argumento do seno em Radianos)


INCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULARINCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULAR

A escolha entre inspecA escolha entre inspecçção por incidência normal ão por incidência normal

e inspece inspecçção por incidência angular, depende em ão por incidência angular, depende em

geral de duas considerageral de duas consideraçções:ões:

¾¾

Da orientaDa orientaçção do objecto de interesse a ão do objecto de interesse a

inspeccionar inspeccionar –– o feixe deve ser dirigido de o feixe deve ser dirigido de

modo a produzir a maior reflexão a partir do modo a produzir a maior reflexão a partir do

objecto.objecto.

¾¾

Eventuais obstruEventuais obstruçções existentes na ões existentes na

superfsuperfíície da pecie da peçça a inspeccionar.a a inspeccionar.

INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - T ÉCNICAS


1 2

Defeito 0 2 4 6 8 10

FWE

BWE

1IP

0 2 4 6 8 10

FWE

BWEDE

2IP

•• Para mPara mááxima transferência de energia, o ar existente entre o transdutorxima transferência de energia, o ar existente entre o transdutor e o material a e o material a inspeccionar tem de ser removido. inspeccionar tem de ser removido.

Acoplamento.Acoplamento.

•• Em inspecEm inspecçção por contacto,ão por contacto, (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.

•• Em inspecEm inspecçção por imersão,ão por imersão, o material e o transdutor são colocados num banho de água. Esta configuração, permite deslocar o transdutor sobre a peça objecto 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 Defeito

BWE = Eco de Fundo

CONTACTO VERSUS IMERSÃO



APLICAAPLICAÇÇÕESÕES

� CaracterizaCaracteriza çção de mater iais e est ruturas:ão de mater iais e est ruturas:

ªª DetecDetec çção e car acter izaão e car acter izaçção de defeitosão de defeitos : : fissur as, inclusões, porosidade, etc.

ª Avaliação de er osão e corrosão medição de espessuras (A(A--SCAN).SCAN).

ªª CaracterizaCaracteriza çção da microestrutura ( estimaão da microestrutura ( estima çção do tamanho de grão em metais).ão do tamanho de grão em metais).

ªª Inspecção da integridade de ligações em componentes soldados ou colados.

ªª

Est imação da integridade de compósitos (delam inações após impacto) e plásticos (C(C--SCAN)SCAN)

�� Medicina:Medicina:

ªª Tratamentos Tratamentos ÎÎ FisioterapiaFisioterapia

ªª

diagndiagn óóstico de doenstico de doen çças as ÎÎ realizarealiza çção de imagens (Bão de imagens (B --SCAN) SCAN) ((ecografiasecografias ))



Time

Am

plitu

de d

o si

nal

TempoA

mpl

itude

do

sina

l

� 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


REPRESENTAREPRESENTAÇÇÃO AÃO A--SCANSCAN


•• Uma das caracterUma das caracteríísticas fundamentais dos agregados lineares sticas fundamentais dos agregados lineares éé a possibilidade de a possibilidade de permitirem a focalizapermitirem a focalizaçção do feixe ultraão do feixe ultra--ssóónico num ponto especifico atravnico num ponto especifico atravéés da aplicas da aplicaçção ão a cada um dos elementos do agregado sinais com atrasos devidamena cada um dos elementos do agregado sinais com atrasos devidamente calculados.te calculados.

•• Se for associado Se for associado àà focalizafocalizaçção um varrimento sectorial podemos obter uma imagem ão um varrimento sectorial podemos obter uma imagem tipo tipo BB--scanscan..

•• Este processo de focalizaEste processo de focalizaçção e inclinaão e inclinaçção do feixe ão do feixe éé chamado chamado beamformingbeamforming..

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9

FrenteFrente de de ondaonda focalizadafocalizada

Pulso eléct rico

Atrasos variáveis

“Array” de transdutores


REPRESENTAREPRESENTAÇÇÃO BÃO B--SCAN (TRANSDUTORES MULTISCAN (TRANSDUTORES MULTI--ELEMENTO)ELEMENTO)


Sistema de atrasos e soma de sinais ultra-sónicos usado no beamforming de agregados lineares.



Diagrama de blocos de um sistema de imagiologia ultra-sónica baseado num agregado linear.


• Usando um transdutor multi-elemen to, pode ser formada uma imagem 2-D designa da por imagem modo B

Sistema de imagem B-Scan

TransducerTransducerarrayarray

XX

YY

X

YComputer displayComputer display




Imagem cardImagem card ííaca aca –– quatro cavidadesquatro cavidades


REPRESENTAREPRESENTAÇÇÃO BÃO B--SCAN (EXEMPLO)SCAN (EXEMPLO)


Three-axesThree-axessystemsystem

Water tankWater tank

Sistema com 3 eixos

Tanque com água

ª

A representação C-scan: visualização de uma secção da peça perpendicular ao feixe ultra-sónico.ª

As representações (imagens) C-scan são produzidas com recurso a um sistema automático de aquisição de dados: varrimento por imersão. ª

O uso do A-scan em associação com o C-scan é necessário quando se pretenda conhecer a profundidade.


REPRESENTAREPRESENTAÇÇÃO CÃO C--SCAN (AMPLITUDE E TIMESCAN (AMPLITUDE E TIME--OFOF--FLIGHT (TOF))FLIGHT (TOF))


Imagens Imagens CC--ScanScan: : CompCompóósitos Laminados sujeitos a Impactositos Laminados sujeitos a ImpactoSequência das camadas: A) (0,90,0,90)2s ; B) (0,90)8

(i) impacto de 1,5 J; (ii) impacto de 2 J;(iii) impacto de 2,5 J(iv) impacto de 3 J

AA

BB

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


REPRESENTAREPRESENTAÇÇÃO CÃO C--SCAN (AMPLITUDE E TOF)SCAN (AMPLITUDE E TOF)

Exemplo:


• 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.


VANTAGENSVANTAGENS


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

• Normalmente requer um meio de acoplamento para promover a transferência de energia para o meio em inspecção.

• Meios que sejam irregulares na sua forma, demasiado pequenos, excepcionalmente finos e muito heterogéneos são difíceis de inspeccionar.

• Meios com estruturas de grão grosseiras são difíceis de inspeccionar devido 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.


LIMITALIMITAÇÇÕESÕES

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