U L T R A S S O M

Prof. Sérgio F. Pichorim

BASEADO EM:

12.12 DO WEBSTER E

AULA DO PROF. JOAQUIM M. MAIA

Ultrassom (US)

•Onda mecânica (som) com frequências superiores a 20 kHz, imperceptível ao ouvido humano, que se propaga em meios líquidos, sólidos ou gasosos

•Resolução do som audível (kHz) metros

•Resolução do ultrassom (MHz) milímetros

•Resolução ∝ l Atenuação ∝ frequência

•Radiação não ionizante ( raio-X)

•Permite obter informações de órgãos internos de maneira não invasiva

•Permite obter informações em “tempo real”

•É auxiliar no diagnóstico em diversas áreas da medicina (obstetrícia e ginecologia, oftalmologia, neurologia, cardiologia, etc.)

Diagnóstico por Imagem via US

•Frequência: 300 kHz – 100 MHz

•Baixa intensidade: 10 mW/cm2 – 1 W/ cm2

•Permite obter informações de órgãos internos de maneira não invasiva e em “tempo real” (imagens 2D, 3D, fluxo)

•Utilizado em obstetrícia, ginecologia, oftalmologia, cardiologia, reumatologia, odontologia e outros

Teoria Básica

•Efeito de Piezoeletricidade: • Sinal elétrico vibração mecânica • Vibração mecânica sinal elétrico

•Materiais piezoelétricos: • Quartzo • Titanato de Bário • Cerâmica PZT = Titanato Zirconato de Chumbo • Polímero PVDF = Fluoreto de Polivinilideno

•Gerado pela aplicação de um sinal elétrico a um transdutor piezoelétrico (geralmente PZT)

•A vibração mecânica do transdutor gera ondas que se propagam no meio adjacente à cerâmica

•Da interação destas ondas com o meio são produzidas ondas de reflexão que se propagam de volta para o transdutor (ecos ultrassônicos)

•Os ecos atingem o transdutor e geram sinais elétricos que são tratados de acordo com a informação a ser obtida (distância entre interfaces, imagens 2D e 3D, fluxo, etc)

•Considera-se conhecida (ou previamente medida) a velocidade de propagação da onda no meio

•Ondas ultrassônicas sofrem reflexão, refração e absorção causadas pelo meio onde se propagam

•Velocidade c, comprimento de onda l e frequência f

• Impedância Z, densidade do meio r

•Uma onda de 3 MHz tem velocidade de 1500 m/s em um meio de densidade de 1,1 g/ml. Calcular o comprimento da onda e a impedância do meio.

•Resp: l = 1500 / 3000000 = 0,5 mm

1,1 g/ml = 1,1 kg/l = 1100 kg/m3

Z = 1100 . 1500 = 1,65 x 106 kg/(m2s)

fc l

cZ r

Características ultrassônicas de alguns materiais (BRONZINO, 1986)

Material

Velocidade c [m/s]

Densidade ρ [kg/m3]

Impedância Z= r c

[kg/(m2s)] (x 106)

Coeficiente de atenuação (a) em 1MHz

[dB/cm]

Dependência de α com f

(fb )

Ar

330

1,2

0,0004

12

f 2

Alumínio

6300

2700

17

0,018

f

Sangue

1530

1060

1,6

0,1

f 1,3

Osso

2700-4100

1380-1810

3,7 - 7,4

10

f 1,5

Gordura

1460-1470

920

1,34 – 1,35

0,6

f

Pulmão

650

400

0,26

40

f 0,6

Músculo

1540-1630

1070

1,65 - 1,74

1,5-2,5

f

Polietileno

2000

920

1,84

-

Água

1520

1000

1,52

0,002

f 2

PZT-4

4600

7500

34,5

•Coeficientes de atenuação a e a

•Perda (dB), distância D

Perda = a . D

•Qual a Perda (em dB e %) de um sinal de 2 MHz após atravessar 0,8 cm de osso?

•Resp: Osso a = 10 dB/cm e b = 1,5

Perda = 10 . 21,5 . 0,8 = 22,53 dB

dB = 10 . log A A = 10(22,53/10)

A = 183 vezes ou 100/183 = 0,55%

bafa

•HVL : Half Value Layer

•Camada de material para o sinal ser atenuado pela metade (50%)

•Exemplos:

• Água HVL = 4,1 m

• Músculo HVL = 2,5 cm

• Ar HVL = 1,1 cm

• Osso HVL = 0,23 cm

2

12

12

coscos

coscos'

ti

ti

i

r

ZZ

ZZ

I

IR

2

12

12'

ZZ

ZZ

I

IR

i

r

2

12

12

coscos

coscos4'

ti

ti

i

t

ZZ

ZZ

I

IT

2

12

124'

ZZ

ZZ

I

IT

i

t

Inc Normal

i t r

o

.

0

Inc Normal

i t r

o

.

0

•Um sinal de ultrassom incide perpendicularmente (incidência normal) em uma interface de músculo (Z = 1,7) e osso (Z = 4). Qual a fração do sinal que atravessa a interface? E qual a fração que é refletida?

•Resp:

R = ((4-1,7)/(4+1,7))2 = 0,163 ou 16,3%

T = 4 . 4 . 1,7 / (4+1,7)2 = 0,837 ou 83,7%

•Obs: impedâncias Z dadas em 106 kg/(m2s)

Métodos Utilizados para Realizar as Medidas

Pulso-Eco Transmissão-Recepção

O Campo Acústico (Frente de Onda)

t = 1 µs t = 10 µs t = 35 µs

•Visto na seção 8.4 equações 8.9 e 8.10

Mapeamento de campos acústicos

Focalizados (20 mm)

Não Focalizados

Transdutores Panametrics Inc., Imersão,

500 kHz, 19 mm de diâmetro (Maia, 2001)

Figure 12.31 Different types of ultrasonic transducers range in frequency from 12 MHz for ophthalmic devices to 4 MHz for transducers equipped with a spinning head. (Photo courtesy of ATL.)

Transdutor com elemento cerâmico único

Cerâmicas Piezoelétricas

PZT = Titanato Zirconato de Chumbo

Transdutor matricial 1D

Transdutor matricial 2D

Atrasadores

Cerâmicas

Piezoelétricas

Modos de Operação dos Equipamentos de Ultrassom

•Modo A (Amplitude)

•Modo B (Brilho)

•Modo M (Movimento)

•Doppler (Velocidade/Fluxo)

Elementos de um Equipamento de Ultrassom no Modo A

Processamento do Sinal de Ultrassom no Modo A

Aplicações do Modo A

Ecoencefalografia da linha média do cérebro

- Deve estar posicionada no centro do crânio em um plano sagital

- Permite Identificar a presença de lesões

Oftalmologia

- Permite determinar tamanho e padrões de crescimento do olho

- Detecção de tumores ou outras patologias

- Identificar presença de objetos estranhos para remoção via cirurgia

Figure 12.28 A-mode scan of the brain midline

Elementos de um Equipamento de Ultrassom no Modo B

Figure 12.30 (a) B-mode ultrasonic imaging shows the two-dimensional shape and reflectivity of objects by using multiple-scan paths. (b) This B-mode ultrasonic image, which corresponds to (a), shows the skin of the belly at the top right, the liver at the left center, the gall bladder at the right above center, and the kidney at the right below center. The bright areas within the kidney are the collecting ducts.

Obtenção do Sinal no Modo B

Geração de imagem – modo B

Transdutor Pulso

Objeto original

(Varredura linear)

Imagem

Varredura Mecânica no Modo B

Varredura Eletrônica no Modo B

Figure 12.32 Ultrasound scan heads. (a) Rotating mechanical device. (b) Linear phased array which scans an area of the same width as the scan head. (c) Curved linear array can sweep a sector. (d) Phasing the excitation of the crystals can steer the beam so that a small transducer can sweep a large area.

Transducers

Beam axis

Direction of sweep

Direction of sweep

Pulses to individual elements

Direction of sweep

Direction of sweep

Beam axis

(b)

(d) (c)

(a)

Beam axis

Figure 12.33 Intravascular ultrasonic image showing the characteristic three-layer appearance of a normal artery. Mild plaque and calcification can be observed at 7 o'clock. (Photo courtesy of Cardiovascular Imaging Systems, Inc.)

Imagem no Modo B Obtida com Transdutor Matricial e Varredura Linear

Imagem no Modo B Obtida com Transdutor Matricial e Varredura Setorial

Imagem de Ultrassom 3D

Aplicações do Modo B

• Representam a maioria dos equipamentos de ultrassom

• Obstetrícia

Taxa de crescimento, posição ou anormalidades do feto

Localização da placenta ou presença de gêmeos

• Ginecologia

Identificação de tumores malignos

Identificação de cistos no ovário

• Na Região Abdominal

Imagens do fígado, baço, vesícula e rins e identificação de anormalidades

• Imagens do seio

• Imagens de alguns pontos do coração

Coração fica envolvido pelo pulmão (alta atenuação devido ao ar), portanto imagens só podem ser obtidas através de transdutores transesofágicos ou pela região do abdome

Elementos de um Equipamento de Ultrassom no Modo M

Aplicações do Modo M

• Analisar qualitativamente e quantitativamente o movimento de estruturas como válvulas cardíacas

•É o modo B sem a varredura do transdutor

Figure 12.29 Time-motion ultrasound scan of the mitral valve of the heart The central trace follows the motions of the mitral valve (MV) over a 3 s period, encompassing three cardiac cycles. The other traces correspond to other relatively static structures, such as the interventricular septum (IVS) and the walls of the left atrium (LA).

Imagem no Modo M

Linha da imagem em modo M é marcada na imagem Modo B

O Efeito Doppler

c

Vff T

D

cos2

Elementos de um Equipamento de Ultrassom no Modo Doppler

Configuração para Doppler de Ondas Contínuas

Configuração para Doppler Pulsátil

Aplicações do Modo Doppler

• Determinar direção e a velocidade do fluxo sanguíneo

• Determinar a Vazão em uma determinada veia ou artéria (Q = V.A), onde Q é a vazão, V = Velocidade e A é a área da seção transversal

• Auxiliam na detecção de estenoses e defeitos nas válvulas cardíacas

Figure 12.34 The duplex scanner contains a mechanical real-time sector scanner that generates a fan-shaped two-dimensional pulse-echo image. Signals from a selected range along a selected path are processed by pulsed Doppler electronics to yield blood velocity (From Wells, 1984.)

Real-time pulse-echo imaging electronics

Doppler sample volume

From pulse-echo imaging transducer

To and from servo- controlled motor

B

Motor housing and handle

Pulsed-doppler beam

Servo-controlled motor

Flexible bellows drive Imaging transducer

Acoustic window

Sector-scan limits

Motor servo- control electronics

Video overlay electronics

Pulsed- doppler electronics

Display

Doppler sample volume

Limits of real-time pulse-echo sector scan

Doppler-beam positional data

From pulsed-doppler transducer

Figure 12.35 (a) Duplex scanner B-mode image and Doppler spectral analysis record for a normal carotid artery, near the bifurcation. The Doppler signals were recorded from the sample volume defined by the Doppler cursor, the two parallel lines located inside the carotid artery. (b) Color flow image of the vessel in (a). Higher velocity components (light color, reproduced here in black and white) are seen where the vessel direction courses more directly toward the transducer.

Fluxo Sanguíneo na Carótida - Potência Espectral Variável com o Ciclo Cardíaco

Efeitos Biológicos do Ultrassom

• Térmicos: aumento da temperatura local para longos tempos de exposição com altas intensidades

• Cavitação: processo de crescimento e vibração de bolhas de gás induzidas acusticamente

• Na faixa de diagnóstico: Não há registro de efeitos biológicos para intensidades < 100 mW/cm2 ou mesmo maiores com curtos períodos de exposição (1 a 500 s)

Partes Componentes de um Equipamento de Ultrassom Típico

Equipamento de Ultrassom (scanner) e Transdutores para Aplicações Médicas