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Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicos e Aplicações SEL 705 - Fundamentos Físicos dos Processos de Formação de Imagens Professor: Dr. Homero Schiabel.

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1 Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicos e Aplicações SEL Fundamentos Físicos dos Processos de Formação de Imagens Professor: Dr. Homero Schiabel Aluna: Paula Zitko

2 Índice Intervalos Sonoros; Histórico; – Ecolocalização em Golfinhos; – Sonar; Características do Som; – Expansão e Contração; – Comprimento, Amplitude, Período e Velocidade; – Freqüência; Fenômenos Sonoros; Scanner e Transdutores; Formação da Imagem; Aplicações

3 O que é o Ultra-Som? Vibração Sonora; freqüência acima daquelas que podem ser detectadas pelo ouvido humano (20 mil ciclos por segundo); Usado clinicamente em várias especialidades: obstetrícia, odontologia, fisioterapia, estética, ginecologia; Não emite radiação ionizante (causa efeitos biológicos)

4 Ultra-Som X Intervalos Sonoros 20Hz20000Hz Infra-Sons Ultra-Sons Audição Humana Elefantes (2 km) Cão, morcego E golfinho

5 Histórico

6 Pioneiros 1794 – Lazzaro Spallanzini (orientação dos morcegos) - ecolocalizaçãoecolocalização Jacques e Pierre Curie (caracterização física de alguns cristais) – Apito de cachorro (10 a 40 KHz) O estudo do ultra-som foi impulsionado com objetivos militares e industriais – construção do SONARSONAR Apito para cães

7 Sonar - Sound Navigation And Ranging Paul Langevin (físico Francês – 1917) - localizar submarinos alemães Não foi usado antes do final da primeira guerra mundial ( 1914–1918) Esquema simplificado do sonar – O aparelho emite ultra-sons (em vermelho) que atingem o objeto (em azul), sendo refletidas sobre a forma de eco (em verde) e voltando ao aparelho receptor. Com base no tempo entre a emissão e a recepção, é calculada a distância (r)ultra-sonseco

8 Pioneiros Douglas Howry W. Roderic Bliss, primeiro sistema com objetivo médico primeira imagem seccional Imagens em preto e branco e sem gradações Fim da 2ª Guerra Mundial => Pesquisa em aplicações médicas

9 Pioneiros Kossof (Austrália) introdução da escala de cinza na imagem - diversos níveis de intensidade de ecos são representados por diferentes tons de cinza impulso da ultra-sonografia pelo desenvolvimento tecnológico, transformando-a em um importante método de investigação diagnóstica

10 Ecolocalização Voltar Processo para orientar-se e evitar obstáculos; Emissão de sons de alta freqüência (30 a 100 KHz) Refletidos por superfícies do ambiente; Indicando a distância e a direção de tais superfícies Morcego localizando pequena presa em vôo Esquema simplificado da emissão de ultra-som pelo morcego

11 Características do Som

12 O que é o Som? Som = Vibração da matéria; Transmissão: Meios materiais Meios elásticos

13 Propagação do Som Objeto vibra = O movimento das partículas carrega e transmite a vibração. Expansão - compressão e corresponde à pressão máxima da propagação sonora Contração - rarefação e corresponde à pressão mínima da propagação sonora.

14 Esquema de Onda Sonora Individualmente as ondas sonoras são caracterizadas por: O comprimento de onda, é a menor distância que vai de uma crista à outra ou de uma depressão à outra. A amplitude é a distância que vai de uma crista ao eixo de propagação da onda. Pode ser também a distância do ponto máximo da depressão ao eixo de propagação. Período é o tempo gasto para que uma oscilação seja completada. No exemplo da figura 2, o período é de 1 segundo. A velocidade de propagação das ondas é constante para um determinado meio. Esquema de Onda

15 Velocidade da propagação do som em diversos meios MeioVelocidade (m/s) Ar330 Água doce1435 Sangue1560 Músculo1570 Gordura1580 No vácuo, onde não existe o indispensável meio material que o transporte, o som não se propaga.

16 Freqüência de uma Onda A freqüência = número de oscilações por segundo; A unidade é chamada de hertz (Hz). As ondas tem a mesma freqüência da fonte emissora, independente do meio em que se propaga; Período (inverso da freqüência); Esquema de Onda F=1/T T=1/F Ex: onda de 20 HZ

17 Fenômenos Sonoros Interface: Transmitida; Refletida; Refratada... Onda Sonora Comportamento do som;

18 Reflexão Quando encontra um meio que não pode ser contornado a onda "bate e volta; Mudança de direção de propagação da energia ; Retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é oriunda; O ângulo de incidência tem valor igual ao valor do ângulo de reflexão; USO: A reflexão luminosa é a base da construção e utilização dos espelhos.espelhos Diagrama simples ilustrando o fenômeno da reflexão. Ângulo de Incidência Ângulo de Reflexão Normal

19 Reflexão Reflexão => Reforço, Reverberação e Eco; Ouvido humano capaz de discernir 2 excitações breves e sucessivas em um intervalos maior ou igual a 1/10 segundo;

20 Reforço o som refletido chega ao tímpano antes do décimo de segundo; reforça a excitação do tímpano e reforça a ação do som direto.

21 Reverberação o som breve refletido chega ao ouvido antes que o tímpano, já excitado pelo som direto, tenha tempo de se recuperar da excitação (fase de persistência auditiva). Chama-se reverberação o fato de tantas reflexões chegarem ao ouvinte que ele não as pode distinguir umas das outras.reverberação É a chamada continuidade sonora e o que ocorre em auditórios acusticamente mal planejados.

22 Eco reflexão de som que chega ao ouvinte pouco tempo depois do som direto; reflexão obstáculo necessita estar a mais do que 17 metros de distância=> velocidade do som no ar (340 m/s) Exemplos: eco produzido no fundo de uma escadaria, por um edifício, ou em uma sala, pelas paredes;

23 Refração A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio; alteração da direção do feixe transmitido em relação ao feixe incidente; passagem da onda por meios com diferentes índices de refração; mudança no comprimento e velocidade, freqüência permanece a mesma; Note como o cano verde parece se quebrar dentro dos copos Refração do ar para a água - Falta de ângulo impede a refração e leva à reflexão

24 Difração A onda tem a capacidade de contornar obstáculos; A difração sonora é imensa por ter seu comprimento muito grande - enorme quando comparado com o comprimento de onda da luz

25 Interferência representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto;

26 Interferência Construtiva caráter de reforço quando as fases combinam (interferência construtiva). Exemplo: Quando escutamos música em nosso lar, percebemos que certos locais no recinto é melhor para se ouvir a música do que outros. Isto é porque nestes pontos as ondas que saem dos dois alto-falantes sofrem interferência construtiva Interferência construtiva

27 Interferência Destrutiva caráter de aniquilação, quando as fases não são as mesmas (interferência destrutiva) Ex: Ao contrário, os locais onde o som está ruim de ouvir é causado pela interferência destrutiva das ondas. Fig.11 - Interferência destrutiva

28 Impedância Todo meio material elástico oferece uma certa "resistência" à transmissão de ondas sonoras; Mesma impedância => não há reflexão (toda transmitida); É a diferença de impedância acústica entre dois tecidos que define a quantidade de reflexão na interface, promovendo sua identificação na imagem; – Ex: um nódulo no fígado será mais facilmente identificado se sua impedância acústica for bastante diferente do parênquima hepático ao redor; quanto maior a diferença de impedância entre duas estruturas, maior será a intensidade de reflexão

29 Impedância acústica de alguns materiais Material(10 6 Rayls) Ar0,0004 Gordura1,38 Água1,48 Músculo1,70 Outros tecidos moles1,63 Osso7,80 Ex: a diferença de impedância entre o ar e os tecidos moles, que justifica a necessidade do gel de acoplamento acústico utilizado para aumentar o contacto entre a pele e o transdutor, caso contrário o feixe seria refletido.

30 Efeito Doppler som é gerado ou refletido por um objeto em movimento; Há mudança na percepção do som;

31 Scanner e Transdutor

32 Equipamento Scanner Processo onde lança ondas de som em um corpo; as reflexões das ondas de som são capturadas por uma máquina, que as transforma então em uma imagem que pode ser lida; O Ultra-som é um recurso que não envolve o uso de radiação ou qualquer tipo de soluções de contraste que precisam ser engolidos ou injetados; Este é com certeza um método seguro, rápido e muito efetivo para certos tipos exames médicos.

33 Transdutores FG-32ua (by Pentax ®) Transdutor Endoscópico EUP-OL334 Transdutor Laparoscópico EUP-ES322 EUP-ES533 Transdutores Trans-Esofágicos C3-7ED - SonoAce Transdutor Convexo

34 Transdutores e Elementos piezoelétricos Elementos piezoelétricos Emite eletricidade Transforma energia elétrica em mecânica (onda sonora) efeito piezoelétrico inverso transmissores e receptores simultaneamente.

35 Transdutores Produz e recebe ecos (normalmente 1% da onda emitida); Quanto maior a freqüência, menor o comprimento da onda sonora e melhor a resolução espacial; transdutores (de 3,5MHz) : exame de tecidos profundos, como o abdômen, útero; transdutores (maiores que 7,5MHz): exame de tecidos superficiais, como a mama, tireóide, pele, testículo, etc.

36 Esquema simplificado de transdutor com elemento cerâmico único Transdutores

37 Transdutores - Funcionamento Meio homogêneo – propagação em linha reta; Meio Heterogêneo – as ondas são refletidas a cada densidade diferente, retornando ecos; Emissor e receptor; Ecos provenientes de interfaces perpendiculares às ondas são recebidos; De acordo com o tempo de emissão e recepção, estabelece-se a profundidade da imagem; quanto mais longe está a estrutura da superfície do transdutor, ela aparecerá em situação mais inferior na tela. Esquema ilustrativo de um transdutor.

38 Formação de imagens por Varredura Existem vários métodos para se extrair uma imagem a partir dos ecos: A-MODE (amplitude mode); B-MODE (brightness mode); M-MODE (motion mode). Informações espaciais Informações sobre movimento/velocidade Muitos equipamentos podem operar com uma combinação dos modos

39 Modo A – Amplitude Mais antigo (1930); fornece informações unidimensionais; muito utilizado em oftalmologia; Diagnostica tumores, corpos estranhos e descolamento da retina;

40 Modo A – Amplitude Usa um transdutor que emite um pulso no tecido, o sistema então, lê e plota ao longo do tempo os sinais que retornam; Características: Detecção das reflexões nas interfaces; Tempo de ida-volta proporcional à profundidade de cada interface; Produz uma única imagem de ecos recebidos de apenas uma posição da sonda;

41 Modo B - Brilho mais utilizado; imagens em duas dimensões; Os princípios são os mesmos daqueles do mapeamento A exceto que o transdutor é movimentado; estabelece informação sobre a estrutura interna do corpo; tem sido usado no diagnóstico do fígado, mama, coração e feto; pode detectar gravidez muito cedo, e pode estabelecer informação sobre anomalias uterinas. Ultra-som de mama Ultra-som no acompanhamento gestacional

42 Modo M – Movimentação Temporal gráficos de movimentação temporal; bastante empregado em ecocardiografia; O modo M combina certas características do modo A e o modo B; O transdutor é mantido estacionário como no modo A e os ecos aparecem como pontos no modo B. Ecocardiografia em Modo M - ambos ventrículos rodeados de abundante derrame pericárdico

43 As principais peculiaridades do método ultra-sonográfico são: – é um método não-invasivo ou minimamente invasivo; – as imagens seccionais podem ser obtidas em qualquer orientação espacial; – não apresenta efeitos nocivos significativos dentro do uso diagnóstico na medicina; – não utiliza radiação ionizante; – a aquisição de imagens é realizada praticamente em tempo real, permitindo o estudo do movimento de estruturas corporais.

44 Principais Aplicações

45 Aplicações no Diagnóstico da Mama Método de complementação de imagens mais importante no diagnóstico da mama; Emprego: – Diagnóstico de cistos; – Avaliação de lesões sólidas; – Comprovação de carcinomas; – Marcação pré-operatória; Ultra-som da mama

46 Diagnóstico de Cistos Comprovação ou não da existência do cisto; Taxa de acertos 100%; Empregado para a avaliação de achados palpáveis; Quando há a evidência de um ou mais cistos, e desde que não exista nenhuma outra imagem adicional (micro calcificações), geralmente não há necessidade de partir para um procedimento cirúrgico; Evita biopsias desnecessárias em cistos simples. Ultra-som da mama com nódulo

47 Diferenciação entre achados sólidos (benignos/malignos) Diferenciação entre carcinoma e fibroadenoma; Ultra-som é usado como método complementar quando os achados – geralmente palpáveis, não são completamente delimitáveis do ponto de vista mamográfico no tecido denso;

48 Comprovação de Carcinomas Carcinomas hipoecóicos, situados em tecido rico em gordura, a detecção geralmente é prejudicada - ecos de baixa intensidade (cinza escuro); (mamografia); Tecido bastante ecogênico (imagens cinza- claras), os carcinomas (maioria pouco ecogênico), são facilmente identificáveis;

49 Aplicação na Ginecologia Verificar o tamanho de útero e os ovários; Avaliar diagnósticos de Patologias Mamárias; Avaliar possíveis existências de tumores malignos no útero e ovários; Gerenciar infertilidade dos ovários; Ultra-som endovaginal Ultra-som transvaginal

50 Aplicação na Obstetrícia Confirmar a gravidez; Determinar a idade do feto;; Avaliar se há gravidez múltipla; Avaliar o bem estar fetal; Detectar mal formações fetais; Realizar check up morfológicos nos órgãos fetais; Determinar com precisão o sexo do feto; Ajudar o obstetra na decisão de ter que fazer um parto mais cedo ou não, quando a gravidez é de risco Ultra-som fetal Ultra-som 3D de Gêmeos Uni vitelinos

51 Aplicações : Ultra-Som 2 D Método Convencional; O ultra-som é feito inicialmente pelo modo bidimensional (crescimento e morfologia do feto); depois são feitas as reconstruções tridimensionais; A diferença entre o que é visto num ultra-som comum e no 3D é a mesma de um desenho só com o contorno e outro pintado e finalizado; Aspecto de meningomielocele

52 Aplicações : Ultra-Som 3 D inovação do método 2D; imagens obtêm uma qualidade quase fotográfica; ajuda a avaliar tumores e a verificar o volume dos órgãos; a possibilidade de olhar o bebê em 360 graus também melhora muito o vínculo afetivo entre mãe e filho Aspecto de meningomielocele

53 Aspecto de meningomielocele ao ultra- som convencional e ultra-som 3D. Aspecto de meningomielocele

54 Vantagens do Ultra-som 3D mais fácil saber o sexo do bebê; imagens mais reais; detalhes de malformações; Identifica se bebês gêmeos estão na mesma placenta ou não; posição do feto se o cordão umbilical está em torno do pescoço; mais preciso no diagnóstico do câncer de mama em jovens; capaz de identificar melhor certas anomalias do útero.

55 Limitações Ultra-som 3D precariedade da avaliação das estruturas fetais internas;

56 Aplicações : Ultra-Som 4 D O ultra-som 4D é a imagem do 3D gerada em tempo real; O 1º equipamento que realiza Ultra-Som 3D em tempo real (4D), foi lançado no mercado internacional em outubro de 2001;

57 Medicina Interna Abdome – Fígado – Vias Biliares – Pâncreas Tireóide Ultrasonografia da tireóide

58 Cardiologia Doença coronariana; Doenças do músculo cardíaco; Doenças do pericárdio; Tumores cardíacos; Cardiopatia hipertensiva; Doenças cérebro-vasculares Ecocardiografia fetal – demonstrando aneorisma do átrio direito - AN

59 Caracterização do Tecido Ósseo Diagnóstico de osteoporose; Mais simples que os métodos de densitometria óssea por raio X; A velocidade de propagação das ondas de ultra-som é medida somente dentro do osso, sem a contribuição de o tecido mole que o rodeia.

60 Oftalmologia Detecta membranas muito finas; detecta pequenos tumores mostrando características internas do tecido. Consegue captar imagens em tempo real com movimento das membranas intra-oculares ou tração vítreo-retiniana. Ultra-sonografia Oftalmológica no modo B

61 Ultra-som com Doppler informações quantitativas e qualitativas quanto a seu fluxo sangüíneo; possui grande número de aplicações das quais podemos citar a avaliação de: – doenças venosas tromboembólicas; – lesões ateroscleróticas obstutivas das artérias; – pacientes pós transplante renal; – infertilidade e desenvolvimento precoce do embrião ; – fluxo vascular em processos neoplásicos. realiza pela cor e por gráficos, a medida do fluxo das artérias e veias. Hepatocarcinoma e aspecto característico dos vasos nutridores

62 Efeitos biológicos do Ultra-som efeitos fisiológicos do calor: Aumento no metabolismo; Vasodilatação; Diminuição da viscosidade dos líquidos; Mas o US não produz apenas calor, mas também: micro-massagem (redução de edema); Correntes acústicas (pode aumentar a permeabilidade nas células); Ondas estacionárias; aumento das taxas de difusão de íons através das membranas celulares.

63 Vantagens Relativamente barato (U.S convencional); Rápido; Imagens em tempo real; É possível gravar imagens duvidosas para análise posterior; Isento de risco (faixa Terapêutica);

64 Desvantagens Depende muito da habilidade do operador do aparelho; Resolução espacial muito abaixo daquela obtida com TC e RMN;

65 Bibliografia COSTA, MM, DIAS, EN, SILVA, HMS, FIGUEIRA F., ASS. Câncer de Mama para Ginecologistas. Editora Revinter Empresa Siemens, acesso em http://www.siemens.com/ Ensino de física à distância, Bertulani C. A, acesso em 21/05/2007http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/ondas2/ondas2.html Fundação Odontológica de Ribeirão Preto - FORP – USP. Ultra-som. Disponível em ttp://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm#Intro. Acesso em 28/03/07. ttp://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm#Intro KÖBRUNNER, Sylia H. Heywang, SCHREER, Ingrid, DERSHAW, D. David, FRASSON, Antonio. MAMA Diagnóstico por Imagem. Rio de Janeiro: Revinter, p MedSom – Equipamentos médicos. Disponível em: Acesso em 25/04/2007http://www.medson.com.br/ NEPOMUCENO, L. X., Tecnologia Ultra-Sônica. Editora Edigar Blücher Ltda Reseller Web – Mídia de Negócios. Disponível em: Acesso em 06/04/2007http://www.resellerweb.com.br/noticias/artigo.asp?id=90093 ROCHA,DC, BAUAB, SP. Atlas de Imagem da Mama. Editora Savier Terra Notícias, Disponível em : Acesso em 02/04http://noticias.terra.com.br/ciencia/interna/0,,OI EI238,00.html


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