Avanços Tecnológicos no Ultra- som Antonio Adilton O. Carneiro Universidade de São Paulo...
Transcript of Avanços Tecnológicos no Ultra- som Antonio Adilton O. Carneiro Universidade de São Paulo...
Avanços Tecnológicos no Ultra-som
Antonio Adilton O. Carneiro
Universidade de São Paulo
Ribeirão Preto
O Ultra-Som Moderno
• O Transdutor
• Princípio Físico
• Aquisição e processamento dos ecos
O transdutor
O transdutor
1.5 D
EnergiaElétrica
++++
----
++++
----
dilatação compressão
Cristal PZT
Material Amortecedor
Camada de interposição
Transdutor
Montagem dos PZTs
Pulso longo Pulso Curto
Pulso elétrico
CristalAmortecedor
O Pulso Echo
1
2CIR = IR/II={(Z2-Z1)/(Z2+Z1)}
CIT = 1 - CIR
IR = Intensidade RefletidaII = Intensidade InsidenteCIR = Coeficiente de Intensidade RefletidaCIT = Coeficiente de Intensidade Transmitida
Z = V
Impedância acústicaImpedância acústica (Z (Zaa))
Varredura
Modo B
Computador
Am
plit
ude
Profundidade
Ganho
=+
Resolução
Frequência Profundidade da imagem
Largura do feixe Resolução Lateral
Comp. Espacial do pulso Resolução axial
Ciclos por pulso Resolução axial
Frequência Resolução axial
RA=comprimento do pulso/2
x = v. t
x = 1.540 m/s . 10-6 s = 1,54 mm
objetos separados por uma distância menor que 0,77 mm não podem ser distinguidos.
Resolução Axial (RA)
A resolução não pode ser maior que o comprimento de onda () das ondas de ultra-som
Freqüência (MHz) Comprimento de onda (mm)
1,6 0,96 2,0 0,77 2,25 0,68 3,5 0,44 5,0 0,31
Resolução Axial (RA)
RA=comprimento do pulso/2
d
d<CP/2
Resolução Axial (RA)
RA=comprimento do pulso/2
d
d>CP/2
Resolução Axial (RA)
Linha de cristias PZT
imagem
alvo
Resolução Lateral (RA)
Interface Perda por reflexão (dB) Tecido-ar -0,01 Osso tecido -3,8 Gordura-músculo -20 Tecido-água -26 Músculo sangue -30
Interfaces biológicasInterfaces biológicas
Meio DMP (cm) Água 380 Sangue 15 Tecido mole (exceto músculo) 1 - 5 Músculo 0,6 - 1 Osso 0,2 - 0,7 Ar 0,08 Pulmão 0,05
DMP - Distância de meia potência
Atenuação dos ultra-sons
Aquisição e Processamento dos dados
Componentes eletrônicos
Microcontroladores
DSPs
Aquisição e processamento
Microcontrolador DSP ComputadorFonte de energia
Agente de contraste (Microbolhas)
• Bolhas de gás (ar ou perfluorocarbono) revistida por uma camada polimérica.
Interação do feixe de ultra-som com a Microbolha
• A microbolha é mais compressível do que o tecido mole
• Ocorre contração e expansão quando submetido á uma excitação oscilante
• Em potencia acústica baixa (<100 Kpa), a oscilação é igual e simétrica (comportamento linear).
• Em potência acústica alta (> 100 Kpa), as interações são complexas e não lineares porque as microbolhas resistem a compressão mais do que a expansão.
Ressonancia das microbolhas
• Ressonância (1 – 20 MHz)
• Emite sinais harmônicos em múltiplos (ou frações) da freqüência fundamental
• Os sinais harmônicos são informações específicas dos agentes de contrastes.
Imagem Harmônica
• A imagem é formada com o segundo harmônico do eco.
fo 2fo 3fo
FFT d
o S
inal
Freq. do eco (Hz)
Imagem Harmônica
• Permite gerar imagens de microcirculações (~100 m), permitindo a caracterização de vascularização tumoral
• Permite gerar imagens de sinais transientes produzido pela ruptura de microbolhas por acústica de alta potencia.
Novas Aplicações usando Microbolhas
• Quantificação e estudo funcional– Passiva - passagem do contraste é registrada
com mínima destruição das microbolhas– Ativa - As microbolhs são rompidas e métodos
não-lineares são usados para registrar informações como “taxa de fluxo em microcirculação”, ou seja, medida de perfusão do tecido.
Imagens Elastográficas
• São imagens formada pela deformação axial dos tecidos, estimada a partir de variações no sinal do ultra-som.
• Esta variação é causada por uma força, pequena e quase estática, aplicada sobre os tecidos com a própria sonda.
Imagem=Deformação/Força
Aplicação
• Patologias que alteram a dureza dos tecidos – Por exemplo: Tumores em mama, em próstata,
etc.
Princípio Físico
Mola Uniforme
Antes Depois
Defo
rmaçã
oProfundidade
Princípio Físico
Mola Não-Uniforme
Antes Depois
Defo
rmaçã
oProfundidade
Modelo do princípio de elastografia
Pré-compressão Pós-compressão
Sinal de RF: Antes e após a compressão (2% de deformação)
Estimativa da deformação
Sinal RF após a compressão
Sinal RF antes da compressão
Teste em “Phantom”
Phantom
Sonografia Elastografia
Trabalho da literatura
Fotografia Ultrasonografia
Elastografia ElastografiaFiltrado
http://www.uth.tmc.edu/schools/med/rad/elasto/
Elastografia
TransdutorTransdutor
Força
Imagem “in vitro”
Sonografia Elastografia Fototografia
Próstata “In vitro”
MRI Elastografia Sonografia
Método vibro-acústico
Campo Acústico emitido pela Vibração de um objeto
Geração do campo acústico
vHidrofone
F=drS< E >
Elemento de volume
< E >
Força de radiação dinâmica
Força aplicada usando campo acústico modulado
))(cos()())(cos()()( 222111 rtrPrtrPtP
r
z 0z0
1
2
PZT1
PZT2
O campo acústico modulado
),cos(2
cos2)( 00
ttPtP
Fazendo 1= o = 2+ P1=P2=Po 1 = 2 = 0
tem-se
Nessa aplicação <<
Densidade de energia acústica22 /)( ctpEi
Sendo << pode-se considerar a densidade média de enrgia em um perído T mais curto que o período de oscilação lenta e mais longo que o período de oscilação rápida. Neste caso, a densidade de enrgia acústica média será variável no tempo.
)(
))cos(1(2
2
teEE
tc
PE
o
o
Força de radiação
)cos(2
2
tc
PSdF o
r
Pegando apenas a componente variável da densidade de energia, a força de radiação fica sendo igual a
Observa-se que a amplitude da força de pressão modulada é proporcional ao quadrado da pressão do feixe incidente, ou seja, o objeto alvo irá oscilar em baixa freqüência com energia mecânica correspondente a energia acústica do campo de alta freqüência
Emissão acústica pelo alvo vibrante
• A força de radiação F() vibra o objeto alvo em frequências
• A vibração do objeto resulta em um campo acústico;
• Este campo acústico é dependente das propriedades visco-elásticas do objeto;
Radiação acústica
,2
sen/
sen/2
4
/exp 21
Ub
cb
cbJ
l
cljjP
.
Z
FU
Z – Impedância mecância do meio de propagação
U – A amplitude de velocidade do pistão J1 – é a função de Bessel de primeira ordem e do primeiro tipo
Pressão acústica
.
2
sen/
sen/2
4
/exp 221
2
Z
SdPb
cb
cbJ
l
clj
cjP ro
sen/
sen/2
4
/exp)( 1
2 cb
cbJ
l
clj
cjlH
Z
bQ
22
FQlHcP )(2
2
2
c
SdPF ro
Dados da literatura
Em cada ponto, a diferença de freqüência foi varrida de 250 a 2250Hz
Freqüências de ressonância dos diapasões na água: Esquerda:1709Hz; Meio: 809Hz; Direita:
407Hz
Fatemi M and Greenleaf JF (1999)
Resultados da Literatura
Fatemi M and Greenleaf JF (1999)
Resultados da Literatura
Fatemi M and Greenleaf JF (1999)