O que sabemos sobre ultra-som? · 2007-11-01 · 11/1/2007 9 Som Som = ondas mecânicas...
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11/1/2007 1
O que sabemos sobre ultra-som?
Tipo de energia?Tipo de interação com o corpo humano?Alguma semelhança com radar?Invasivo?Ionizante?Projeção?Vantagens/Desvantagens/Limitações?
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11/1/2007 2
Devemos então abordar:
Como funciona?– Princípios físicos– Sensores/transdutores
Limitações técnicasVantagens/desvantagensAplicações clínicas
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11/1/2007 3
Radar em aeroportos, submarinos..
presença de objetos e morfologia
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11/1/2007 4
Radar no trânsito
velocidade, movimento => como?
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11/1/2007 5
Radar metereológico
•É tomográfico?
•morfologia e velocidade
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11/1/2007 6
Corte tomográfico por reflexão
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Ultra-som versus CT
Reconstrução tomográfica a partir das projeções– CT, Spiral CT, fastCT– SPECT – PET
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Ultra-som
Custo/benefício muito bom+ Energia utilizada não é ionizante+ Exames não são invasivos+ Inerentemente tomográfico: dinâmica+ Exames realizados pelos próprios médicos
especialistas. − Ruído do tipo speckle (interferência de ondas− Informações “não” são metabólicas/funcionais
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11/1/2007 9
Som
Som = ondas mecânicas longitudinais de compressão e rarefação do meio, com freqüências entre 20 Hz e 20 kHz, capazes de sensibilizar o sistema auditivo humano.– Humanos - 20 Hz ~ 20 kHz– Cães - 15 Hz ~ 50 kHz– Golfinhos - 150 Hz ~ 150 kHz – Morcegos - 1 kHz ~ 120 kHzInfra-som = ondas mecânicas com freqüências abaixo de 20 Hz.Ultra-som = ondas mecânicas com freqüências acima de 20 kHz.
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Princípios físicos: energia
– Reflexão – Refração/transmissão– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )– v= ~1500 m/s (média no corpo) [5.400 km/h]– Percorre 50 cm (ida e volta) em 0.6 ms– Se varrer 100 linhas => 60 ms => 20 imagens/s
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Ondas de compressão e rarefação formando ondas sonoras
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11/1/2007 12
Onda sonora e curvas de variação do deslocamento e da pressão
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11/1/2007 13
Princípios físicos
– Energia sonora:• Parte prossegue => penetra na matéria• Parte retorna (refletida) =>detetada pelo sensor• Parte é convertida em calor, ...
– Impedância acústica– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )– Z=ρ. v (Impedância=densidade x veloc.)
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Mergulhando em impedância diferente
H2O
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11/1/2007 15
Mergulhando em alta impedância
Hg
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Reflexão, refração
Meio 1
Figura 5 - Reflexão e refração (ou transmissão) de ondas na interface entre os meio 1 e 2
Onda Incidente Onda Refletida Ii Ir
θi θr
Meio 1
Meio 2
θt Onda Transmitida ou Refratada
It
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Transdutor: geração e recepção
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11/1/2007 18
Eco acústico: impedância
Transdutor d
tv(t)
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
µ ~α frequencia
O que está incorreto no v(t)?
xeII .0. µ−=
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11/1/2007 19
Reflexão
Eq. FresnelR+T=1
Lei de Snell
( )
+==
+−
==
212
221
2
12
12
cos.cos.cos..4
cos.cos.cos.cos.
ti
i
i
t
ti
ti
i
r
ZZZZ
IIT
ZZZZ
IIR
θθθ
θθθθ
θi θr
θt
2
1
sensen
vv
t
i =θθ
1
2
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11/1/2007 20
Incidência normal
( )212
21
2
12
12
0
.4
0
ZZZZT
ZZZZR
ti
+=
+−
=
==θθImpedância acústica (.001g/m2/s) a 1 MHz:
•ar => 0,0004
•água => 1,54
•sangue => 1,61
•fígado => 1,65
•osso => 6,00
•rim =>1,62
•gordura =>1,38
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11/1/2007 21
Energia refletida e transmitida
Ar => águaR=0,9989T=0,001
Água => ossoR=0,35T=0,65
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11/1/2007 22
Princípios físicos: energia desperdiçada
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
frequência => µ
xeII .0. µ−=
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11/1/2007 23
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11/1/2007 24
Aumento de 2 x em frequencia ?
No caso da água, a atenuação aumentou 3 x
xeII .0. µ−=
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11/1/2007 25
Transdutor: Efeito piezoelétrico
Piezoeletricidade:Tensão alternada produz oscilações nas dimensões do cristal, devido ao re-alinhamentodas moléculas polarizadas
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11/1/2007 26
Princípios físicos: consolidação
– efeito piezo-elétrico: mecânica <=> elétr.– espalhamento dentro das estruturas– resolução espacial ~1 λ =1.5 mm (@1MHz)– v= ~1500 m/s (média no corpo)– 20 - 50MHz p/ intra-arterial – 100-200MHz p/ microscopia celular– v= λ . f– Z=ρ. v (ρ :densidade )
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11/1/2007 27
Formando imagens
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11/1/2007 28
Eco acústico: impedância
Transdutor d
tv(t)
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
µ ~α frequencia
O que está incorreto no v(t)?
xeII .0. µ−=
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11/1/2007 29
modo A (Amplitude)
Transdutor d
tv
2d=c.t
tempo
Atenuação:
•absorção (calor)
•espalhamento
xeII .0. µ−=
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11/1/2007 30
Modo B (Brilho)
modo A em tons de cinza com varredura
115
102
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11/1/2007 31
Modo B: diagrama funcional
•controle automáticoganho (tempo)•baixo ruído eletron.•faixa dinâmica elevada•janela de tempo (profund)•conversão A/D: 20MHz• 512 x 512 x 8bits• 512 x 512 x 24bits (Doppler)•posição de leitura•imagem média, simples oude máximos
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11/1/2007 32
Modo M (Movimento)
– modoAdinâmico em tons de cinza
t
t1 t2
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11/1/2007 33
Efeito Doppler
fluxovaso
peletransd.
feixe
α
Fluxo e velocidade ∆ ffc
v= 2 0 . c o s ( ) .α
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11/1/2007 34
Velocidade absoluta ?
• Como obter o ângulo de incidência ?
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11/1/2007 35
Modo duplex
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11/1/2007 36
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11/1/2007 37
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11/1/2007 38
Ultra-som: degradação
Caract. do transdutor B(t)Atenuação no caminho A(t)Espalhamento E(t)Ruído : speckle
S t T t B t A t E tS fT f
B f A f E f
( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )( )
( ) . ( ) . ( )
= ⊗ ⊗ ⊗
=
T(t) S(t)
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11/1/2007 39
Transdutores: mais detalhes
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Ultra-som: transdutoresphased-arrays– focar (guiar) região– diferentes geometrias
Focot
Transm.
Rec.
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zona de Fresnel
Para que um objeto seja "visível" pelo transdutor, ele precisa estar localizado na zona de Fresnel ou zona próxima. – deve-se diminuir a espessura do cristal
para aumentar a sua "profundidade de campo", ou, alternativamente,
– aumentar o diâmetro D do cristal.
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Ultra-som 3D: varr. Mec. tilt
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Scan rotacional
Three-dimensional image of a pregnant uterus with twins. Theimage has been "sliced to revealthe two gestational sacs. Thisimage was obtained by means ofthe rotational scanningapproach using an endfiringendovaginal transducer (SPIE pres, Med Imag I).
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Visualização 3D
Image showing the ray-casting approach. An array of rays are castthrough the 3D image projecting the 3D image onto a plane producing a 2D image. The rays can be made to interact with the 3D image data in differentways to produce different types of renderings (SPIE Press, Med Imag. I).
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The 3D image of the fetal face has been rendered using a translucency-rendering algorithm with the ray-casting approach. In this image, the amnioticfluid has been made transparent, and tissues have been made transparent oropaque depending on the voxel intensity (SPIE Press, Medical Imaging).
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Visualização 3D: MIP
The 3D image of the kidney has been rendered using a MIP {maximum intensity projection) algorithm withthe ray-casting approach
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Ultra-som: aplicações
Estudo de estruturas dinâmicas em uma determinada posição. – válvulas cardíacas no modo M
Cortes tomográficos 2D– cardíaca– fetal– abdominal, ...
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Ultra-som: aplicações
Mapeamento colorido de fluxo (duplex)– codificação do fluxo (doppler) em cores– sobreposição em imagens 2D – curva temporal do fluxo
Fluxo turbulento, refluxo, perfil de velocidadeContraste p/ US: micro-bolhasIVUS - Intra Vascular Ultra SoundEcocardiografia 2D e 3D
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IVUS
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Ecocardiografia 3D com microbolhas
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PACS: Conectividade
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O Sistema
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Comparação de modalidades?
Medicina NuclearRessonância MagnéticaRaio-X
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Ultra-som
Custo/benefício muito bom+ Energia utilizada não é ionizante+ Exames não são invasivos+ Inerentemente tomográfico: dinâmica+ Exames realizados pelos próprios médicos
especialistas. − Ruído do tipo speckle (interferência de ondas− Informações não são metabólicas, ou
fisiológicas