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)
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.)
Modos de Operação dos Equipamentos de Ultrassom
•Modo A (Amplitude)
•Modo B (Brilho)
•Modo M (Movimento)
•Doppler (Velocidade/Fluxo)
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 12.30 (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.
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.)
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
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).
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.
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)
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