Princípios Físicos do Ultrassom

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6/15/2006 1
Princípios físicos de Ultrasonografia
PTC - 5750
6/15/2006 2
O que sabemos?
?Tipo de energia?
?Tipo de interação com o corpo humano?
?Alguma semelhança com radar?
?Invasivo?
?Ionizante?
?Projeção?
?Vantagens/Desvantagens/Limitações?
6/15/2006 3
SONAR
6/15/2006 4
Radar metereológico
•É tomográfico?
•morfologia e velocidade
6/15/2006 5
Corte tomográfico por reflexão
6/15/2006 6
Tomografia
?Reconstrução tomográfica a partir das 
projeções
– CT, Spiral CT, fastCT
– SPECT 
– PET
6/15/2006 7
ULTRA-SONOGRAFIA
?Modo Bidimensional
?Modo M
?Doppler
?Mapeamento de fluxos a cores
6/15/2006 8
Ultra-som
?Custo/benefício muito bom
+ Energia utilizada não é ionizante
+ Exames não são invasivos
+ Inerentemente tomográfico: dinâmica
+ Exames realizados pelos próprios médicos 
especialistas. 
− Ruído do tipo speckle (interferência de ondas
− Informações não são metabólicas, ou 
fisiológicas
6/15/2006 9
Som
? Som = ondas mecânicas longitudinais de 
compressão e rarefação do meio, com freqüências 
entre 20 Hz e 20 kHz, capazes de sensibilizar o 
sistema auditivo humano.
– Humanos - 20 Hz ~ 20 kHz
– Cães - 15 Hz ~ 50 kHz
– Golfinhos - 150 Hz ~ 150 kHz 
– Morcegos - 1 kHz ~ 120 kHz
? Infra-som = ondas mecânicas com freqüências 
abaixo de 20 Hz.
? Ultra-som = ondas mecânicas com freqüências 
acima de 20 kHz.
6/15/2006 10
Princípios físicos: energia
– Reflexão 
– Refração/transmissão
– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )
– v= ~1500 m/s (média no corpo)
– Percorre 50 cm (ida e volta) em 0.6 ms
– Se varrer 100 linhas => 60 ms => 20 imagens/s
6/15/2006 11
Ondas de compressão e rarefação 
formando ondas sonoras
6/15/2006 12
Onda sonora e curvas de variação 
do deslocamento e da pressão
6/15/2006 13
Reflexão, refração
Meio 1
Figura 5 - Reflexão e refração (ou transmissão) de ondas na interface
 entre os meio 1 e 2
Onda Incidente Onda Refletida
 Ii Ir
 θi θr
Meio 1
Meio 2
 θt Onda Transmitida
 ou Refratada
It
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Transdutor: geração e recepção
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Princípios físicos
– Impedância acústica
– v= λ . f (velocidade=comprimento x freq. )
– Z=ρ. v (Impedância=densidade x veloc.) 
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Mergulhando em alta impedância
Hg
6/15/2006 17
Princípios físicos
Atenuação: 
•absorção (calor)
•espalhamento
frequência => µ
xeII .0.
µ−=
6/15/2006 18
6/15/2006 19
Aumento de 2 x em frequencia ?
?No caso da água, a atenuação aumentou 3 x
xeII .0.
µ−=
6/15/2006 20
Princípios físicos
– efeito piezo-elétrico: mecânica <=> elétr.
– espalhamento dentro das estruturas
– resolução espacial ~1 λ =1.5 mm (@1MHz)
– v= ~1500 m/s (média no corpo)
– 20 - 50MHz p/ intra-arterial 
– 100-200MHz p/ microscopia celular
– v= λ . f
– Z=ρ. v (ρ :densidade ) 
6/15/2006 21
Efeito piezoelétrico
Piezoeletricidade:
Tensão alternada produz oscilações 
nas dimensões do cristal, devido ao re-alinhamento
das moléculas polarizadas
6/15/2006 22
Eco acústico: impedância
Transdutor d
tv(t)
2d=c.t
tempo
Atenuação: 
•absorção (calor)
•espalhamento
µ ~α frequencia
O que está incorreto no v(t)?
xeII .0.
µ−=
6/15/2006 23
( ) 



+==




+
−==
2
12
2
21
2
12
12
cos.cos.
cos..4
cos.cos.
cos.cos.
ti
i
i
t
ti
ti
i
r
ZZ
ZZ
I
IT
ZZ
ZZ
I
IR
θθ
θ
θθ
θθ
θi θr
θt
Reflexão
1
?Eq. Fresnel
R+T=1
?Lei de Snell
2
2
1
sen
sen
v
v
t
i =θ
θ
6/15/2006 24
Incidência normal
( )212
21
2
12
12
0
.4
0
ZZ
ZZT
ZZ
ZZR
ti
+=




+
−=
==θθImpedância acústica (.001g/m2/s) a 
1 MHz:
•ar => 0,0004
•água => 1,54
•sangue => 1,61
•fígado => 1,65
•osso => 6,00
•rim =>1,62
•gordura =>1,38
6/15/2006 25
modo A (Amplitude)
Transdutor d
tv
2d=c.t
tempo
Atenuação: 
•absorção (calor)
•espalhamento
xeII .0.
µ−=
6/15/2006 26
Modo B (Brilho)
?modo A em tons de cinza com varredura
115
102
6/15/2006 27
Modo B: diagrama funcional
•controle automático
ganho (tempo)
•baixo ruído eletron.
•faixa dinâmica elevada
•janela de tempo (profund)
•conversão A/D: 20MHz
• 512 x 512 x 8bits
• 512 x 512 x 24bits (Doppler)
•posição de leitura
•imagem média, simples ou
de máximos
6/15/2006 28
Modo M (Movimento)
– modoA dinâmico em tons 
de cinza
t
t1 t2
6/15/2006 29
Efeito Doppler
∆ f f
c
v= 2 0 . c o s ( ) .αFluxo e velocidade
fluxo
vaso
pele
transd.
feixe
α
6/15/2006 30
Velocidade absoluta ?
• Como obter o ângulo de incidência ?
6/15/2006 31
Modo duplex
6/15/2006 32
6/15/2006 33
6/15/2006 34
Ultra-som: degradação
T(t) S(t)
?Caract. do transdutor B(t)
?Atenuação no caminho A(t)
?Espalhamento E(t)
?Ruído : speckle
S t T t B t A t E t
S f
T f
B f A f E f
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
( ) . ( ) . ( )
= ⊗ ⊗ ⊗
=
6/15/2006 35
Ruído em Ultra-som
Speckle
• interferência entre ecos
6/15/2006 36
ruído Speckle
• Ruído dependente do sinal
• Amplitude dos envelopes: 
Rayleigh e distr. K (baixo ) 
• Imagens: compressão por log()
pdf: dupla exponencial (Fisher-
Tippet)
Estimador
p
pˆ
Filtro simples tipo Wiener (local):
)var()var(.
)var(
).(ˆ
2 ruidopp
p
pppp
+=
−+=
α
α
P. Loizou et al. Med Biol Eng Comput (2006) 44: 414–426
6/15/2006 37
Ruído em US
?Amplitude em US
– Alta densidade de espalhamento
• Distribuição de Rayleigh
– Baixa densidade 
• distribuição K
? Imagem c/ compressão log
– pdf: Fisher-Tippet (dupla 
exponencial)
)
2
exp()( Prob 2
2
2 σσ
ppp −=
6/15/2006 38
Transdutores
6/15/2006 39
6/15/2006 40
Ultra-som: transdutores
?phased-arrays
– focar (guiar) região
– diferentes geometrias
Foco
t
Transm.
Rec.
6/15/2006 41
6/15/2006 42
6/15/2006 43
zona de Fresnel
?Para que um objeto seja "visível" pelo 
transdutor, ele precisa estar 
localizado na zona de Fresnel ou zona 
próxima. 
– deve-se diminuir a espessura do cristal 
para aumentar a sua "profundidade de 
campo", ou, alternativamente, 
– aumentar o diâmetro D do cristal. 
6/15/2006 44
6/15/2006 45
Ultra-som 3D: varr. Mec. tilt
6/15/2006 46
6/15/2006 47
Scan rotacional
Three-dimensional image of a 
pregnant uterus with twins. The
image has been "sliced to reveal
the two gestational sacs. This
image was obtained by means of
the rotational scanning
approach using an endfiring
endovaginal transducer (SPIE 
pres, Med Imag I). 
6/15/2006 48
Visualização 3D
Image showing the ray-casting approach. An array of rays are cast
through the 3D image projecting the 3D image onto a plane producing a 2D 
image. The rays can be made to interact with the 3D image data in different
ways to produce different types of renderings (SPIE Press, Med Imag. I). 
6/15/2006 49
The 3D image of the fetal face has been rendered using a translucency-
rendering algorithm with the ray-casting approach. In this image, the amniotic
fluid has been made transparent, and tissues have been made transparent or
opaque depending on the voxel intensity (SPIE Press, Medical Imaging). 
6/15/2006 50
Visualização 3D: MIP
The 3D image of the kidney has been rendered using a 
MIP {maximum intensity projection) algorithm with
the ray-casting approach
6/15/2006 51
Ultra-som: aplicações
?Estudo de estruturas dinâmicas em uma 
determinadaposição. 
– válvulas cardíacas no modo M
?Cortes tomográficos 2D
– cardíaca
– fetal
– abdominal, ...
6/15/2006 52
Ultra-som: aplicações
?Mapeamento colorido de fluxo (duplex)
– codificação do fluxo (doppler) em cores
– sobreposição em imagens 2D 
– curva temporal do fluxo
?Fluxo turbulento, refluxo, perfil de 
velocidade
?Contraste p/ US: micro-bolhas
?IVUS - Intra Vascular Ultra Sound
6/15/2006 53
Aplicações Clínicas
?Definição anatômica 
?Determinação das dimensões das cavidades,
volume, massa ventricular 
?Avaliação da função ventricular (índices de 
ejeção)
?Análise da contratilidade segmentar 
(doenças isquêmicas)
6/15/2006 54
Aplicações Clínicas
?Detecção de trombos, tumores cardíacos
?Valvopatias
?Aortopatias
?Miocardiopatias
?Pericardiopatias
?Obstruções vasculares
6/15/2006 55
Aplicações Clínicas
?Avaliação da função sistólica do VE:
-qualitativa
-semi-quantitativa
-quantitativa (fração de encurtamento, 
fração de ejeção, método bidimensional)
?Avaliação da função diastólica 
6/15/2006 56
Aplicações Clínicas -Doppler
?Estimativa do Gradiente de pressão:
∆P = 4.V2 (Equação de Bernoulli simplificada)
?Estimativa da área efetiva de um orifício 
estenótico
Pressure-Half Time (PHT), Equação de 
Continuidade
?Volume regurgitante, fração regurgitante
6/15/2006 57
Aplicações Clínicas - Doppler
?Estenoses valvares (estimativa da área 
valvar, gradiente transvalvar)
?Insuficiências valvares
?Shunt intracavitário (CIA, CIV, PCA)
?Avaliação da função do VE
?Cálculo da relação de fluxo entre a 
circulação pulmonar e sistêmica
6/15/2006 58
Aplicações Clínicas
?Detecção de shunts intracardíacos
?Melhora do sinal Doppler (quantificação 
das disfunções valvares)
?Definição da cavidade ventricular
?Perfusão miocárdica
6/15/2006 59
Eco Contraste
?Tipos de contraste (solução salina agitada, 
PESDA, Levovist)
?Imagem Harmônica Intermitente
6/15/2006 60
6/15/2006 61
Fig. 1.5 –Perfusão cardíaca de um paciente com hipertrofia 
cardiomiopática utilizando Ecocardiografia tridimensional e contraste de 
microbolhas. Ramo descendente da artéria coronária esquerda (LAD) 
desde sua origem na artéria coronária esquerda (em A), os ramos de 
penetração no septo interventricular (IVS) (em B e C) e suas ramificações 
até o miocárdio (em D). 
6/15/2006 62
IVUS
6/15/2006 63
PACS: Conectividade
6/15/2006 64
O Sistema
6/15/2006 65
Comparação de modalidades?
?Medicina Nuclear
?Ressonância Magnética
?Raio-X
6/15/2006 66
Ultra-som
?Custo/benefício muito bom
+ Energia utilizada não é ionizante
+ Exames não são invasivos
+ Inerentemente tomográfico: dinâmica
+ Exames realizados pelos próprios médicos 
especialistas. 
− Ruído do tipo speckle (interferência de ondas
− Informações não são metabólicas, ou 
fisiológicas
	Princípios físicos de Ultrasonografia
	O que sabemos?
	SONAR
	Radar metereológico
	Corte tomográfico por reflexão
	Tomografia
	ULTRA-SONOGRAFIA
	Ultra-som
	Som
	Princípios físicos: energia
	Ondas de compressão e rarefação formando ondas sonoras
	Onda sonora e curvas de variação do deslocamento e da pressão
	Reflexão, refração
	Transdutor: geração e recepção
	Princípios físicos
	Mergulhando em alta impedância
	Princípios físicos
	
	Aumento de 2 x em frequencia ?
	Princípios físicos
	Efeito piezoelétrico
	Eco acústico: impedância
	Reflexão
	Incidência normal
	modo A (Amplitude)
	Modo B (Brilho)
	Modo B: diagrama funcional
	Modo M (Movimento)
	Efeito Doppler
	Velocidade absoluta ?
	Modo duplex
	Ultra-som: degradação
	Ruído em Ultra-som
	ruído Speckle
	Ruído em US
	Transdutores
	Ultra-som: transdutores
	
	zona de Fresnel
	Ultra-som 3D: varr. Mec. tilt
	Scan rotacional
	Visualização 3D
	
	Visualização 3D: MIP
	Ultra-som: aplicações
	Ultra-som: aplicações
	Aplicações Clínicas
	Aplicações Clínicas
	Aplicações Clínicas
	Aplicações Clínicas -Doppler
	Aplicações Clínicas - Doppler
	Aplicações Clínicas
	Eco Contraste
	
	IVUS
	O Sistema
	Comparação de modalidades?
	Ultra-som