Princípios Físicos de Ultrassonografia
Serviço de Ultrassonografia
Thiago M. Tezoto
Introdução
• Ultrassom:
- Versátil com excelente relação custo benefício.
- Imagens seccionais em qualquer orientação espacial.
- Não utiliza radiação ionizante.
- Estudo do movimento das estruturas corporais.
- Estudo hemodinâmico não invasivo – Doppler.
Introdução
• Ultrassom
- Onda sonora pulsátil.
- Fenômeno de interação entre som e tecidos corporais.
- Transmissão da onda sonora pelo meio permite observaras propriedades mecânicas dos tecidos.
- Fundamentos físicos e tecnológicos.
Som• Vibração mecânica.
Som• Propriedades ondulatórias.
• Sofre interação com o meio:
- Refração - Reflexão - Atenuação - Difração - Interferência - Espalhamento
Som• Características do fenômeno sonoro são relacionadas com
sua fonte e com o meio de propagação.
• Comportamento da onda depende de variáveis ( P, t° e mobi- lidade das partículas).
• Vibrações – deflexões – direção da propagação do som: Transversais Longitudinais (água e gases)
Ondas Sonoras
Conceitos fundamentais• Comprimento de Onda (λ):
Distância entre fenômenos de compressão e rarefação sucessivos,medido em metros (m).
Depende da velocidade do som no meio e da freqüência utilizada.
Ondas Sonoras
• Freqüência (f):
Número de ciclos completos de oscilação em um segundo, medida em Hertz (Hz).
Determina a capacidade do ultrassom em discriminar dois pontos próxi-mos a área de interesse (resolução espacial). Quanto maior a freqüência, menor o comprimento de onda e melhor aresolução espacial.
Ondas Sonoras
• Período (T):Tempo característico em que o mesmo fenômeno se repete.
T=1/f
• Amplitude (A):Intensidade da onda sonora proporcional a deflexão máxima daspartículas do meio de transmissão, ou seja, a energia que atravessao tecido.
Ondas Sonoras
• Velocidade (c): Constante para cada material.
Depende das propriedades elásticas e da própria densidade do meio.
Média calculada em 1540 m/s
Piezeletricidade
• Converte uma forma de energia em outra.
• Energia Elétrica Energia de Ultrassom
Piezeletricidade
• Materiais Piezoelétricos:
- Quartzo
- Turmalina
- Titanato de Bário
- Titanato Zircoanto de Chumbo (PZT)
Transdutores• Produzir feixe ultrassônico.• Receber os ecos gerados pelas interfaces.
Transdutores
Composição
• Conjunto compacto de elementos piezoeletricos.• Aparato eletrônico (excitação e captação).• Lente acústica.• Material de acoplamento.• Material de amortecimento posterior (absorve freqüências Indesejáveis).• Isolamento
Transdutores• Convexo: 3,5 MHz
• Linear: 7,5 MHz
• Endocavitário: 6 MHz
Campo Ultrassônico: Foco
Campo ultrassônico: Foco• Melhor resolução espacial• Menor espessura do feixe acústico.
• Zona de Fresnel • Zona de Fraunhoffer
Imagem Ultrassonográfica
• Sinais de intensidade variável.
• Interação da onda sonora com o meio.
• Capacidade de reflexão.
• Impedância acústicas diferentes.
Impedância Acústica (Z)
• Resistência do meio à condução do feixe ultrassônico.
• Depende da densidade e velocidade do som no meio.
Z = c . ρ
Impedância Acústica (Z)
• Diferença de ZZ entre dois meios define a quantidade de reflexão na interface.
• Interface com mesmo ZZ não há reflexão.
• Logo, quanto maior a diferença de ZZ, maior será a reflexão.
• Exemplo: nódulo hepático.
Transmissão, Reflexão e Refração
• Depende do ângulo de incidência e da ≠ de ZZ..
• Reflexão e Refração.
Reflexão
Transmissão, Reflexão e Refração
• Quanto maior o coeficiente de reflexão,
• Maior a intensidade do eco recebido,
• Portanto menor a transmissão do feixe.
Uso do gel !!!
Artefatos• Reflexão total • Sombra acústica posterior
- Interface com graus extremos de impedância acústica.
- Todo feixe ultrassônico é refletido a partir da interface.
- Exemplos: ar, calcificações, cálculos e gás (sombra suja).
Artefatos
• Reflexão especular • Imagem em espelho
- Estrutura altamente reflexiva (diafragma).
- Ecos sofrem nova reflexão na interface proximal.
- Retornam ao equipamento em atraso em relação aos primeiros.
Artefatos
• Refração
- Incidência do feixe ocorre em um ângulo inferior ao limítrofe.
- Parte do feixe é refletida (eco), parte é refratada.
- Muda a direção original.
- Estruturas com morfologia lentiforme.
Artefatos• Atenuação
- Perdas sucessivas da intensidade do sinal.
- Em função da distância percorrida.
- Absorção (transformação em calor), reflexão, espalhamento.
- Diretamente relacionada à freqüência.
Atenuação = freqüência x distância percorrida
Artefatos• Reforço acústico posterior
- Estruturas de baixa atenuação.
- Compensação temporal de ganho (TGC).
- Estruturas posteriores apresentam ecos mais intensos.
- Regiões posteriores a estruturas císticas.
Artefatos• Difração e espalhamento
- Extremidade de estrutura interposta no trajeto do feixe assumeo papel de fonte sonora.
- Reflexão não direcional do feixe ultrassônico.
- Ocorre em ondas esféricas (difração).
- Gera ecos de baixa amplitude.
- Padrão textural em tons de cinza (parênquima hepático).
Modos de apresentação
• Modo A
- Gráficos de amplitude. - Em relação com a profundidade.
• Modo B (brilho)
- Linha de imagem , ecos gerados por um único pulso.
- Conversão em pulsos elétricos, amplificada e processada.
- Seqüência de pontos brilhantes na tela.
- Aquisição de sucessivas linhas = Imagem bidimensional.
Modos de apresentação
Modos de apresentação
• Modo M (movimento)
- Ecocardiografia.
- Estudo da movimentação das interfaces refletoras,
- ao longo da direção de propagação,
- em um intervalo de tempo extenso.
Escala de cinza• Inicialmente preto e branco.
• Profundidade de memória.
• Valores intermediários de amplitude dos ecos,
• Em escala de cinza.
• Atualmente: - Profundidade de memória de 8 bits (preto e branco).
- 254 tons de cinza.
Escala de cinza
• Terminologia
- Ecogênicas, hiperecogênicas, ecorrefringentes: Ecos de alta intensidade – cinza-claras ou brancas.
- Hipoecogênicas: Ecos de baixa intensidade – cinza-escuras.
- Anecogênicas: Permitem a passagem do eco sem reflexão (bexiga, cistos simples).
Pretas.
Resolução Espacial
• Resolução Espacial Axial
- Discriminar dois pontos próximos ao longo do eixo de propagação do feixe ultrassônico.
- Depende da duração dos pulsos (período) e da freqüência.
Resolução Espacial
• Resolução Espacial Lateral
- Discriminar dois pontos no eixo perpendicular ao da propagação do feixe ultrassônico.
- Diretamente proporcional à freqüência e elementos piezoetétricos.
Resolução Espacial
• Resolução Espacial Lateral
- Feixe ultrassônico lobos centrais e lobos laterais.
- Captação do eco por elementos piezoelétricos diferentes.
- Ambigüidade de localização espacial degradação da imagem.
- Refletores de alta intensidade.
- Artefatos de lobos laterais.
Resolução Espacial
• Resolução Espacial de Elevação
- Discriminar pontos no terceiro eixo espacial, perpendicular aoplano de insonação.
- Fator limitante da qualidade de imagem.
- Depende: Espessura do elemento piezoelétrico. Profundidade da focalização. Elementos dispersivos no trajeto do feixe.
- Artefato: efeito de volume parcial.
Doppler• Christian Andreas Doppler – 1841
• O efeito Doppler é a mudança da freqüência de onda, resultante da movimentação de uma fonte.
• Ultrassom Doppler é usado para detectar e medir o fluxo sanguíneo e o maior refletor é a hemácia.
• A freqüência Doppler depende da freqüência de insonação(f), da velocidade do fluxo sanguíneo(v) e do ângulo entre o feixe ultras-sonográfico e a direção do movimento sanguíneo(θ), espresso na equação Doppler:
Fd = 2.f.v. cos θ
------------- c
Doppler
Doppler• Ângulo estimado pelo ultrassonografista.
Fd = 2.f.v. cos θ ------------- c
• cos de 90° = zero.• Se o feixe ultrassônico estiver a 90° em relação ao vasoInsonado, não haverá efeito Doppler. • Ângulo correto entre 0° e 60°.
Doppler
Doppler
• Doppler de Onda Contínua
- Transmissão e recepção ultrassonográfica contínua.
- Não produz imagens coloridas.
- Incapaz de determinar localização específica de velocidade.
- Não permite reconhecer profundidade dos refletores.
Doppler
• Doppler de onda pulsada
- Aparelhos atuais.
- Maior zona sensitiva/volume de amostra.
- Permite a medida da profundidade do fluxo.
- Permite unir os modos colorido e espectral conjuntamente.
Doppler
• Formas de demonstrar o fluxo sanguíneo
- Modo colorido.
- Modo pulsado – espectral.
- Power Doppler (Doppler de amplitude).
Doppler
• Modo colorido
- Direção de fluxo através da barra de cor.
- Cor superior: aproxima do transdutor.
- Cor inferior: afasta do transdutor.
Doppler
• Modo colorido
- Visão ampla de uma
região. - Informação sobre a
direção do fluxo. - Informação limitada do
fluxo / velocidade. - Fluxo turbulento. - Resolução temporal
pobre.
Doppler• Doppler Pulsado (espectral) - Volume da amostra.
- Análise de fluxo em determinado local definido pelo volumeda amostra.
- Análise detalhada da distribuição do fluxo.
- Análise do pico sistólico.
- Diástole.
- Índices de resistência e pulsatilidade, aceleração.
- Boa resolução temporal.
Doppler
• Power Doppler
- Sensível a fluxos de baixa velocidade.
- Pequenos vasos.
- Fluxo filiforme.
- Não permite determinar direção de fluxo.
- Baixa resolução temporal.
Doppler
• Sistemas dúplex
- Dois feixes ultrassônicos modo B e mapeamento Doppler.
- Presença de fluxo.
- Distribuição das velocidades.
- Evolução temporal das velocidades.
- Velocidades máxima, mínima média e modal.
- Cálculo de índices de análise hemodinâmica.
Doppler• Sistema dúplex
- Ganho: Amplificação do sinal recebido – detecção de sinais de baixaamplitude.
- PRF (escala): Freqüência de pulsação do feixe Doppler, não há PRF padrão.
- Volume da amostra: Intervalo receptivo aos ecos.
- Filtragem: Elimina ecos de baixa velocidade, ruídos provenientes das partesmoles adjacentes ao vaso estudado.
Doppler
• Sistema dúplex
- Velocidade de varredura: velocidade com que as curvas de velocidade são mostradas na tela.
- Linha de base: elevar ou abaixar o que representa a velocidade zero, ou seja, ausência de deslocamento Doppler.
- Inversão de sentido: inverter a posição dos sinais de fluxo em relação à linha de base.
Doppler - Artefatos
• Aliasing - “Qualquer fenômeno periódico deve ser mostrado pelo menos duas vezes a cada ciclo
para que não haja ambigüidades quanto suas características de fase e freqüência.” (teorema de Harry Nyquist).
- A máxima freqüência Doppler que pode ser mensurada, corresponde a metade do PRF.
- Se a velocidade de fluxo sanguíneo e o ângulo, entre o feixe ultrassono-gráfico e a direção de fluxo, dão um valor maior que a metade do PRF, ocorre ambigüidade. Esta ambigüidade é conhecida como ALIASING.
- Efeito similar: roda de um carro parece estar girando na direção oposta.
Doppler - Artefatos
• Aliasing
- Correção: . Aumentar o PRF . Diminuir o ganho . Diminuir a linha de base . Diminuir a freqüência do transdutor
Doppler - Artefatos
• Bleeding
- Sinal de cor de um vasoprojetado em uma área adjacente sem fluxo.
- Ocorre devido ganho domodo colorido muito alto.
- Solução: reduzir o ganhode cor.
Doppler - Artefatos
• Artefato em espelho
- Feixe ultra-sonográfico perpendicular ao vaso.
- Falsa impressão de fluxo bidirecional.
- Correção: angular o feixe ultra-sonográfico em relação ao vaso estudado.
Doppler - Artefatos
• Erro de angulação
- Medida errônea de velocidade.
- Correção do ângulo.
Bibliografia• Cerri, Giovanni Guido; Saito, Osmar de Cassio. Ultrassonografia de
pequenas partes. Rio de Janeiro: Revinter Ltda, 2004.
• Cerri, Giovanni Guido; Saito, Osmar de Cassio. Ultrassonografia de pequenas partes. Rio de Janeiro: Revinter Ltda, 2004.
• Biscegli, Clóvis Isberto Conceitos da física do ultra-som / Clóvis Isberto Biscegli. São Carlos, SP: Embrapa Instrumentação Agropecuária, USP, 2004.