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, morcegoE 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 deIncidência

Ângulo deReflexão

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-OL334Transdutor Laparoscópico

EUP-ES322EUP-ES533Transdutores Trans-Esofágicos

C3-7ED - SonoAceTransdutor 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 ilustrativode 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