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

Montagem dos PZTs + - - + dilatação compressão Transdutor Cristal PZT Energia Elétrica Transdutor Cristal PZT Material Amortecedor Camada de interposição

O Pulso Echo Pulso elétrico Amortecedor Cristal Pulso longo Pulso Curto

Impedância acústica (Za) Z = r.V 1 CIR = IR/II={(Z2-Z1)/(Z2+Z1)} CIT = 1 - CIR 2 IR = Intensidade Refletida II = Intensidade Insidente CIR = Coeficiente de Intensidade Refletida CIT = Coeficiente de Intensidade Transmitida

Varredura

Modo B Computador Amplitude Profundidade Ganho + =

Resolução Comp. Espacial do pulso Resolução axial Ciclos por pulso Frequência Resolução axial Frequência Profundidade da imagem Largura do feixe Resolução Lateral

Resolução Axial (RA) x = v. t x = 1.540 m/s . 10-6 s = 1,54 mm 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<CP/2 d

Resolução Axial (RA) RA=comprimento do pulso/2 d d>CP/2

Resolução Lateral (RA) Linha de cristias PZT alvo imagem

Interfaces biológicas Interface Perda por reflexão (dB) Tecido-ar -0,01 Osso tecido -3,8 Gordura-músculo -20 Tecido-água -26 Músculo sangue -30

Atenuação dos ultra-sons 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

Aquisição e Processamento dos dados Componentes eletrônicos Microcontroladores DSPs

Aquisição e processamento Fonte de energia Microcontrolador DSP Computador

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. FFT do Sinal fo 2fo 3fo Freq. do eco (Hz)

Imagem Harmônica Permite gerar imagens de microcirculações (~100 mm), 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 Deformação Profundidade Mola Uniforme Antes Depois

Princípio Físico Deformação Profundidade Mola Não-Uniforme Antes Depois

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 antes da compressão Sinal RF após a compressão

Teste em “Phantom” Phantom Sonografia Elastografia

Trabalho da literatura Ultrasonografia Fotografia Elastografia Filtrado Elastografia http://www.uth.tmc.edu/schools/med/rad/elasto/

Elastografia Transdutor Força Transdutor

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 Elemento de volume < E > v Hidrofone F=drS< E >

Força de radiação dinâmica

Força aplicada usando campo acústico modulado PZT1 w1 r w2 PZT2 z z0

O campo acústico modulado Fazendo w1= wo = w2+Dw ; P1=P2=Po f1 = f2 = 0 tem-se Nessa aplicação Dw << wo

Densidade de energia acústica Sendo Dw <<wo 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.

Força de radiação 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(Dw) vibra o objeto alvo em frequências Dw; A vibração do objeto resulta em um campo acústico; Este campo acústico é dependente das propriedades visco-elásticas do objeto;

Radiação acústica J1 – é a função de Bessel de primeira ordem e do primeiro tipo UDw – A amplitude de velocidade do pistão ZDw – Impedância mecância do meio de propagação

Pressão acústica

Esquerda:1709Hz; Meio: 809Hz; Direita: 407Hz Dados da literatura Fatemi M and Greenleaf JF (1999) Freqüências de ressonância dos diapasões na água: Esquerda:1709Hz; Meio: 809Hz; Direita: 407Hz Em cada ponto, a diferença de freqüência foi varrida de 250 a 2250Hz

Resultados da Literatura Fatemi M and Greenleaf JF (1999)

Resultados da Literatura Fatemi M and Greenleaf JF (1999)