Princípios Físicos de Ultrassonografia

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1 Princípios Físicos de Ultrassonografia
Serviço de Ultrassonografia Thiago M. Tezoto

2 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.

3 Introdução Ultrassom - Onda sonora pulsátil.
- Fenômeno de interação entre som e tecidos corporais. - Transmissão da onda sonora pelo meio permite observar as propriedades mecânicas dos tecidos. - Fundamentos físicos e tecnológicos.

4 Som Vibração mecânica. Som é uma vibração mecânica que oscila na faixa audível de 20 a Hz (ciclos por segundo) Ultrassom são vibrações mecânicas acima de Hz (ciclos por segundo.

5 Som Propriedades ondulatórias. Sofre interação com o meio: - Refração
- Reflexão - Atenuação - Difração - Interferência - Espalhamento Propriedades ondulatórias semelhantes as ondas eletromagnéticas (luz), e apresenta efeitos adversos de interação com o meio com:

6 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) Propagação da onda provoca vibrações no meio material produzindo deflexões em relação à direção de propagação do som. Essas deflexões podem ser transversais ou longitudinais, e como a água e os gases a transmissão da onda sonora aplicada ocorre sempre na longitudinal, os métodos ultrassonográficos aplicados na medicina utilizam apenas ondas longitudinais.

7 Conceitos fundamentais
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.

8 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 a resolução espacial.

9 Ondas Sonoras Período (T): T=1/f Amplitude (A):
Tempo característico em que o mesmo fenômeno se repete. T=1/f Amplitude (A): Intensidade da onda sonora proporcional a deflexão máxima das partículas do meio de transmissão, ou seja, a energia que atravessa o tecido.

10 Ondas Sonoras Velocidade (c): Média calculada em 1540 m/s
Constante para cada material. Depende das propriedades elásticas e da própria densidade do meio. Velocidade do som nos meios varia muito. A variação em função da freqüência é denominada dispersão e é desprezível nos sólidos < 1%. Como a maior parte dos elementos do corpo humano possuem velocidades de propagação semelhantes, exceto ar e ossos, os equipamentos de ultrassonografia são calibrados para uma velocidade padrão de 1540 m/s. Média calculada em 1540 m/s

11 Piezeletricidade Converte uma forma de energia em outra.
Energia Elétrica Energia de Ultrassom Efeito piezoelétrico: propriedade que alguns materiais tem quando submetidos a estresse mecânico de emitirem ondas elétricas, ou analogamente, sofrerem deformação espacial quando submetidos a um pulso elétrico.

12 Piezeletricidade Materiais Piezoelétricos: - Quartzo - Turmalina
- Titanato de Bário - Titanato Zircoanto de Chumbo (PZT)

13 Transdutores Produzir feixe ultrassônico.
Receber os ecos gerados pelas interfaces.

14 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

15 Transdutores Convexo: 3,5 MHz Linear: 7,5 MHz Endocavitário: 6 MHz

16 Campo Ultrassônico: Foco

17 Campo ultrassônico: Foco
Melhor resolução espacial Menor espessura do feixe acústico. Zona de Fresnel Zona de Fraunhoffer Fresnel, região proximal que se mantêm coerente possibilitando a produção de imagens,ecos simultâneos de maior intensidade. A profundidade da zona de Fresnel depende da freqüência e da largura do elemento piezoelétrico utilizado. Fraunhoffer, região distal onde o feixe perde a coerência de fase. E é inversamente proporcional a freqüência,ecos alternados, de menor intensidade (atenuação). Transdutores que utilizamos possuem arranjo de vários elementos piezoeletricos ao longo de uma dada direção, conhecido como arranjo de fase. O disparo seqüencial desses elementos produzem feixe com frente de onda curva, cujo foco corresponde ao ponto focal do feixe. O aparelho pode processar a focalização controlando o disparo de alguns elementos piezoelétricos ou retardando a emissão dos pulsos recebidos.

18 Imagem Ultrassonográfica
Sinais de intensidade variável. Interação da onda sonora com o meio. Capacidade de reflexão. Impedância acústicas diferentes. A imagem ultrassonográfica é composta por sinais de intensidade variável relacionada aos efeitos acústicos decorrentes da interação da onda sonora com o meio, em especial a capacidade de reflexão do som pelos tecidos com impedâncias acústicas diferentes.

19 Impedância Acústica (Z)
Resistência do meio à condução do feixe ultrassônico. Depende da densidade e velocidade do som no meio. Z = c . ρ Depende de variáveis como pressão , temperatura, compressibilidade, densidade, velocidade do som no meio. Como a temperatura nos meios internos e a pressão externa são relativamente estáveis a impedância depende basicamente da dendidade, compressibilidade e da velocidade do som no meio.

20 Impedância Acústica (Z)
Diferença de Z entre dois meios define a quantidade de reflexão na interface. Interface com mesmo Z não há reflexão. Logo, quanto maior a diferença de Z, maior será a reflexão. Exemplo: nódulo hepático. Quando o feixe sonoro atravessa uma interface entre dois meios com a mesma impedância acústica, não há reflexão e a onda é toda transmitida ao segundo meio. É a diferença de impedância acústica entre dois tecidos que define a quantidade de reflexão na interface, promovendo sua identificação na imagem. Por exemplo, um nódulo no fígado será mais facilmente identificado se sua impedância acústica for bastante diferente do parênquima hepático ao redor, ao contrário, quanto mais próxima sua impedância acústica do parênquima hepático normal, mais dificuldade teremos em identificá-lo, porque pouca reflexão sonora ocorrerá

21 Transmissão, Reflexão e Refração
Depende do ângulo de incidência e da ≠ de Z. Reflexão e Refração. Reflexão Reflexão e refração ocorrem quando há diferença de impedância acústica numa interface. Quanto maior o coeficiente de reflexão, maior a intensidade do eco recebido e menor a transmissão do feixe de um meio ao outro.

22 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 !!! Diferença de impedância entre o ar e os tecidos moles é de cerca de 1:4050, justifica a necessidade do uso do gel, caso contrário todo o feixe seria refletido na interface transdutor/ar

23 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).

24 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.

25 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.

26 Atenuação = freqüência x distância percorrida
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 Limita o alcance dos transdutores de alta freqüência, que determina importante estratégia np exame ultrassonográfico: a escolha do transdutor.

27 Artefatos Reforço acústico posterior - Estruturas de baixa atenuação.
- Compensação temporal de ganho (TGC). - Estruturas posteriores apresentam ecos mais intensos. - Regiões posteriores a estruturas císticas.

28 Artefatos Difração e espalhamento
- Extremidade de estrutura interposta no trajeto do feixe assume o 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).

29 Modos de apresentação Modo A - Gráficos de amplitude.
- Em relação com a profundidade.

30 Modos de apresentação 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.

31 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.

32 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) tons de cinza.

33 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.

34 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 é a capacidade de um método em discriminar dois fenômenos discretos. Resolução espacial representa o menor espaço entre dois pontos reconhecíveis como separados numa imagem. Duração dos pulsos: quanto mais curtos, maior capacidade de discriminação

35 Resolução Espacial Resolução Espacial Lateral - Discriminar dois pontos no eixo perpendicular ao da propagação do feixe ultrassônico. - Diretamente proporcional à freqüência e elementos piezoetétricos.

36 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. Lobos centrais carregam maior parte da energia acústica Elementos piezoelétricos diferentes daqueles que emitiram os pulsos captam os ecos gerados pelos lobos laterais gerando ambigüidade de localização espacial, degradando a imagem sobretudo em relação a refletores de alta intensidade. Redução desse efeito pode ser feita através de ajuste de foco e freqüência.

37 Resolução Espacial Resolução Espacial de Elevação
- Discriminar pontos no terceiro eixo espacial, perpendicular ao plano 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. Formação de artefato em volume parcial quando as estruturas são menores que a espessura do feixe numa determinada região. Dois elementos presentes na mesma posição do plano de insonação, porém em posições diferentes ao longo do eixo terceiro eixo, contribuirão simultaneamente para o mesmo pixel. Do mesmo jeito estruturas císticas de conteúdo anecóide podem apresentar artefatos no seu interior decorrentes de volume parcial de suas paredes. Resolução temporal: capacidade de produzir o maior numero de quadros num determinado intervalo de tempo..

38 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 Capacidade do sistema em produzir um maior n° de quadros num mesmo intervalo de tempo.

39 Doppler

40 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 vaso Insonado, não haverá efeito Doppler. Ângulo correto entre 0° e 60°.

41 Doppler

42 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.

43 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.

44 Doppler Formas de demonstrar o fluxo sanguíneo - Modo colorido.
- Modo pulsado – espectral. - Power Doppler (Doppler de amplitude).

45 Doppler Modo colorido - Direção de fluxo através da barra de cor.
- Cor superior: aproxima do transdutor. - Cor inferior: afasta do transdutor.

46 Doppler Modo colorido - Visão ampla de uma região.
- Informação sobre a direção do fluxo. - Informação limitada do fluxo / velocidade. - Fluxo turbulento. - Resolução temporal pobre.

47 Doppler - Volume da amostra. Doppler Pulsado (espectral)
- Análise de fluxo em determinado local definido pelo volume da amostra. - Análise detalhada da distribuição do fluxo. - Análise do pico sistólico. - Diástole. - Índices de resistência e pulsatilidade, aceleração. - Boa resolução temporal.

48 Doppler Power Doppler - Sensível a fluxos de baixa velocidade.
- Pequenos vasos. - Fluxo filiforme. - Não permite determinar direção de fluxo. - Baixa resolução temporal.

49 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.

50 Doppler Sistema dúplex
- Ganho: Amplificação do sinal recebido – detecção de sinais de baixa amplitude. - 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 partes moles adjacentes ao vaso estudado. Cada leito vascular possui velocidades caracteríscitas.

51 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. Velocidade de varredura: maior ou menor detalhe do espectro.

52 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.

53 Doppler - Artefatos Aliasing - Correção: . Aumentar o PRF
. Diminuir o ganho . Diminuir a linha de base . Diminuir a freqüência do transdutor

54 Doppler - Artefatos Aliasing

55 Doppler - Artefatos Bleeding - Sinal de cor de um vaso
projetado em uma área adjacente sem fluxo. - Ocorre devido ganho do modo colorido muito alto. - Solução: reduzir o ganho de cor.

56 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.

57 Doppler - Artefatos Erro de angulação - Medida errônea de velocidade.
- Correção do ângulo.

58 Bibliografia 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.