Tecnologias ultrassônicas desenvolvidas no Brasil - Prof. Dr. Antônio Adilton Carneiro

Prévia do material em texto

Tecnologias ultrassônicas 
desenvolvidas no Brasil
Prof. Antonio Adilton O. Carneiro
Universidade de São Paulo
Ribeirão Preto
adilton@usp.br
www.giimus.usp.br
26 de setembro de 2015 
Hardware para geração de 
imagens de Ultrassom
A evolução 
computacional e da 
eletrônica digital 
permitiu avanços 
consideráveis na 
geração e aquisição 
de ondas 
ultrassônicas. 
Formação do feixe ultrassônico
Formação do feixe ultrassônico
Após múltiplas excitações
e processamento dos sinais de ecos
Manipulando os ecos para formar 
imagem e gerar diagnóstico 
quantitativo; 
Para cada elemento é
registrado um sinal (RF) gerado 
pelos ecos ultrassônicos que reflete 
nas diferentes estruturas dos tecidos 
Elastografia
Tumores mamários 
• Benignos (fibroadenoma) Rígidos
• Malignos (carcinoma) Rígidos
MUDANÇAS DAS 
CARACTERÍSTICAS 
MECÂNICAS DE 
UM TECIDO
PATOLOGIA
Motivações
J.Ophir,E.I.Cespedes,H.Ponnekanti,Y.Yazdi,andX.Li,
“Elastography: A method for imaging the elasticity in biological
tissues,” Ultrasond Imaging, vol. 13, pp. 111–134, 1991.
“O principal objetivo dessa modalidade de imagem é encontrar a diferença das 
propriedades mecânicas entre os tumores de mama benignos e malignos e 
minimizar a realização de biópsias desnecessárias.’’ (Jonathan Ophir) 
O que mais fazer com ultrassom?
Ultrassom tradicional  Imagem anatômica!
• Não podemos ir além?
Imagem funcional e quantitativa;
• Doppler;
• Elastografia;
• …
Imagem molecular;
• Óptica e ultrassom
• Magnetismo e ultrassom
Elasticity Imaging
Quasi-static 
(Elastography)
Tumor Ablation 
Elastography
Relative parameters 
reconstruction
Strain Imaging
Nonlinear 
Elastography
Relative parameters 
reconstruction
Dynamic
Contact
Sonoelastography
Transient 
Elastography
Acoustic Radiation 
Force
ARFI – Supersonic 
Imaging
Vibroacoustography
Vibromagnetography
Acustografia pulse-
emission (APE)
Elastografia quase estática
Pavan TZ, Neves, LP, Carneiro AAO; Elastografia por ultra-som: uma nova 
modalidade de imagem; Ciência Hoje; 2008.
Deformação (Strain)
m1
m2
Depth 
D
is
p
la
c
e
m
e
n
t 
Displacement
x
x
U
x





Strain
U
Deslocamento
Deformação Strain
Elastografia
Black  Before deformation
Red  After deformation
Criando a imagem
Inclusão 2,5 vezes
mais rígida que o 
meio circundante
Reconstrução do módulo elástico
Kiessel LM et al. IEEE International Ultrasonic Symposium, 2007
0 0
0 0
/
/
F A FLstress
E
strain L L A L

    
Transdutor com sensor de carga Strain Image Shear modulus
Collaboration
 USP - RP
 University of Wisconsin
 Rensselaer Polytechnic Institute
Dord, JF, Pavan TZ, Physics in Medicine and Biology, in review, 2012
Transverse B-mode (left) and strain (right) images of invasive ductal carcinoma displayed 
side by side. The lesion on the strain image is much larger than that on the B-mode image.
Burnside E S et al. Radiology 2007; 245:401-410
Transverse B-mode (left) and strain (right) images of fibroadenoma displayed side by side.
Elastografia da mama
Elasticidade dos tecidos
biológicos
Biological tissues usually 
present nonlinear stress 
strain behavior.
Conventional elastography 
does not take into account 
this fact.
This approximation is fine for compressions 
up to 5%.
Wellman SA et al ; Arch Surg; 2001
Elastografia Dinâmica
Força de radiação acústica
Crédito: Hermes Kamimura
Kamimura H.A.S., Pavan T.Z. et al., Measurement Science &Technology, 2011 
Método vibro-acústico
Força aplicada usando campo 
acústico modulado
) )(c o s ()() )(c o s ()()( 222111 rtrPrtrPtP  
r
z 0
z0
1
2
PZT1
PZT2
Força de radiação
)c o s (
2
2
t
c
P
SdF or 

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
Estudo in vitro
 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) 
Imagens por interação não linear do 
pulso com o meio
Sistema de Vibro-Acustografia do GIIMUS
Imagens por Acustografia Pulso-
Emissão (APE)
Acustogrfia Pulso Emissão (APE)
Simulador
Imagem APE
Imagem modo -B
Imagem APE da tíbia de um rato
Imagem de Vibro acustografiade
um alvo de 1 mm de diâmetro
Magnetoacustografia
Sinal Doppler x concentração de 
partículas
Material de base= 100 ml de iogurte de 
chocolate
100 200 300 400 500 600 700 800
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
Concentração 
 de Ferrita
 2%
 1,5%
 1%
 0,5%
Am
pl
itu
de
 d
o 
si
na
l D
op
pl
er
 (
V)
Frequência de excitação ( Hz)
0,5 1 1,5 2
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
Am
pl
itu
de
 d
o 
si
na
l D
op
pl
er
 (
V)
Concentração de ferrita %
Materiais e Métodos
31
Resultados
32
DISCUSSÃO
33
ARFI (Acoustic Radiation 
Force Impulse)
Aplica força de radiação acústica pulsada 
para vibrar o tecido biológico em uma 
região focal;
A amplitude da vibração dos tecidos é 
determinada pela análise dos ecos das 
regiões adjacentes à região focal;
A velocidade e a atenuação da onda é 
intrínseco do meio material 
Palpação mecânica das estruturas 
internas dos tecidos biológicos
Onda transversal (Shear wave) 
swc
m


0
10
20
30
40
50
60
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
shear wave speed (m/s)
Yo
un
g'
s M
od
ul
us
 (k
Pa
)
2(1 )
sw
E
c
 


22(1 ) swE c  
2(1 )
E
m



incompressible (ν = 0.5), linear,
isotropic, elastic media
Phantoms (Fibroadenoma)
Módulo de Young
Young’s Modulus
Tissue 
mimicking 
material
Storage 
Modulus - ELF 
1Hz (kPa)
Elastic contrast
Storage 
Modulus 
Shear wave 
(4c1) (kPa)
Elastic 
contrast
Fibroadenoma 97.8 ± 2.9 2.45 ± 0.11
18.7 ± 1.2 
(19%)
2.06 ± 0.15 
(84%)
Cancer 64.6 ± 1.9 1.62 ± 0.07 
15.1 ± 0.4 
(23%)
1.67 ± 0.15 
(103%)
Glandular 39.9 ± 1.3 1.00
9.06 ± 1.2 
(23%)
1.00
Fat sphere 20.6 ± 0.5 0.52 ± 0.02 4.2 ± 0.6 (20%)
0.46 ± 0.15 
(88%)
SF 21.5 ± 0.6 0.54 ± 0.02 5.7 ± 2.1 (26%)
0.63 ± 0.15 
(117%)
Palpação por ARFI
Como o deslocamento causado 
pela força de radiação acústica 
muda com a regidez do meio?
O contraste entre as lesões e o
background é bom porque a
propriedades da onda transversal (
shear wave) muda
considerávelmente com os tipos de
cancer.
Shear Waves – Ondas de cisalhamento
Phantoms para treinamento 
guiado por ultrassom
Telemedicina.
• Equipe (GIIMUS – USP – RP)
• Prof. Antônio Adilton Carneiro
• Prof. Theo Pavan
• Alexandre Bruno 
• Ebenézer Cavalcanti
• Hermes Kamimura
• Tenysson Lemos
• Thiago Almeida
• Larissa Ferrato
• Fernanda Biagioni
• Breno Andrade
• Larissa Gatto
• Diego Thomaz
• Felipe Grillo
• Gulherme Braz
• Agnelo Bastos
Obrigado
• FMRP – USP
• UNB
• UFG
• UFAL
• University of Wisconsin
• University of Texas
Grupo de Inovação emInstrumentação Médica e Ultrassom
www.giimus.usp.br
Contato: adilton@usp.br
Ultrassom em Biomedicina
Aula inaugural sobre Ultrassom
Antonio Adilton O. Carneiro
 História do Ultrassom
 Princípio Físico do Ultrassom
 Ultrassom Doppler
 Interação do Ultrassom com o Tecido 
Biológico
 Formação da Imagem de Ultrassom
 Novas tecnologias Ultrassônicas em 
Biomedicina
História do Ultrassom
1793 – Observação de 
Morcegos
 Primeira observação sobre os morcegos 
por Lazzaro Spallanzani (naturalista 
Italiano).
1826 – Determinação da 
velocidade do som na água.
 Jean-Daniel Colladon, físico suíço, usou 
um sino submerso para calcular a 
velocidade do som na água do lago 
Geneva.
1877 – A Teoria do Som
 Foi publicada pela primeira vez em 
1877 por um cientista inglês chamado 
Lorde Rayleigh. 
 Descreveu o som a partir
de equações matemáticas.
1880 – Efeito Piezoelétrico
 Os irmãos Jacques e Pierre Curie deram 
uma contribuição valiosa para o estudo 
do ultrassom.
 Descreveu as características físicas de 
alguns cristais(piezoeletricidade)
1914 - SONAR
 Primeiro trabalho sobre sonar foi 
desenhado e construído nos Estados 
Unidos por Reginald Fessenden.
 Bobina móvel eletromagnética que 
emitia sons de baixa freqüência, e 
recebia os ecos.
 Capaz de perceber submarinos ou 
icebergs a 2Km de distância.
1914 – 1918 Primeira Guerra 
Mundial
 Durante a primeira grande guerra a teoria 
descrita em “A teoria do som” foi posta em 
prática.
 Geradores de baixa frequência facilitando a 
navegação.
 Permitia a detecção de icebergs distantes de 
até 5 quilômetros. 
 SONAR apesar de já estar pronto não foi 
usado antes do fim da primeira guerra 
mundial.
1915 – Melhoramento do 
Hidrofone
 Na virada do século o Físico Paul 
Langevin, e o cientista Constantin 
Chilowsky inventaram um dispositivo 
que permite poderosas amplificações.
 Mosaico de finos cristais de quartzo 
coladas entre duas chapas de aço com 
uma fr= 150KHz.
 Implantado na vigilancia de submarinos 
alemães
Terapia Clínica
 1920: Langévin - poder de destruição do 
ultrassom (dor induzida na mão quando 
colocada em um tanque de água com 
ultrassom de alta intensidade)
 Até meados1940 - ‘cura tudo’ :como dores 
de artrite, úlceras gástricas, eczema, 
asma, tireotoxicose, hemorróidas, 
incontinência
urinária, elefantíase. 
1939 -1945 Segunda Guerra 
Mundial
 Intensificou-se o estudo da utilização do 
ultrassom para fins militares.
 SONAR (Sound Navigation and Ranging)
 Análogo ao RADAR que utilizava ondas de 
rádio para localização de objetos no ar.
 Desenvolvimento notável do ultrassom 
para a metalurgia(fissura em metais). 
 Precursores dos aparelhos de 
Ultrassonografia.
Década de 1940
 1944 – Livro “Princípios do RADAR” 
publicado pelo MIT.
 1945 - Primeiro computador digital ( O 
ENIAC- Electronic Numerical Integrator 
and Computer) 
 Contruído na Universidade da Pensilvania
 1947 – Invenção do transistor de ponto 
de contato pelo laboratório AT & T's 
Bell .
Somascope - 1954
 A primeira imagem 
em 2D
 Imagem do rim
 Usando modo-B
Princípio Físico do Ultrassom
Estudando a Natureza -
Ecolocalização
Gerando Tecnologia -
Ecografia
Princípio de funcionamento
Ondas Longitudinais
O pulso de ultrassom é 
transmitido em forma 
de onda longitudinal. 
Gerando regiões de 
compressão e 
rarefação
Faixa de Frequencia do Som
Som audível: de 20 Hz a 20 KHz
Principais características do 
Ultrassom
 Frequência
 Velocidade
 Comprimento da Onda
 Amplitude
 Intensidade/potencia 
Frequencia
 A frequência do som é determinada 
pela fonte. Em biomedicina 1 – 20 MHZ;
 A velocidade do ultrassom não muda 
com a frequência para um mesmo meio 
(v=lf)
Velocidade do Feixe de Ultrassom
A velocidade de propagação do pulso ou eco é 
quem determina a profundidade da estrutura no 
corpo.
V=(k/r)1/2
K=constante elástica do meio
R = densidade materialGordura __________1450
Água_____________1480
Tecido mole_______1540
Osso_____________4100
O Ultrassom diagnóstico é ajustado com V=1540 m/s 
O princípio do pulso-eco
 O feixe de Ultrassom pode ser contínuo
ou pulsátil.
 Velocidade nos tecidos moles do corpo
humano é de ~ 1.540 m/s.
 O feixe de Ultrassom pode ser
parcialmente absorvido, refletido e
transmitido no meio material
O ELEMENTO PIEZOELÉTRICO 
Energia
Elétrica
+
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
dilatação compressão
Cristal PZT
Material Amortecedor
Camada de interposição
Transdudor
O pulso-Eco
Pulso longo Pulso Curto
Pulso elétrico
ELEMENTO 
PIEZO
Amortecedor
Formação do pulso
P
Z
T
Zona de Fresnel Zona de Fraunhofer
Frequência => Zona de Fresnel 
Formação do foco
Transdutores
O destino das ondas de 
Ultrassom
 Podem ser absorvidas e se transformarem
em calor, podendo ser usadas para o
tratamento de certas patologias.
 Podem ser refletidas de forma:
 especular - incidência perpendicular, a maioria
das ondas incidentes volta à fonte de ultra-sons
 difusa - o feixe refletido se espalha por todas
as direções, conhecido também por
espalhamento.
 Podem ser transmitidas
Impedância acústica (Za)
Za = r.v
 Za - impedância acústica
 r - densidade do meio
 v - velocidade do som 
nesse meio
O eco só surge quando o feixe de ultra som passa 
por dois meios com diferentes Impedâncias
Impedância acústica (Za)
Piezo
1
2
RI = (Z2-Z1)/(Z2+Z1)
TI = 1 - R
R = Intensidade Refletida
I = Intensidade Insidente
RI = Coeficiente de Intensidade Refletida
TI = Coeficiente de Intensidade Transmitida
Pulso
eco
Parâmetros dos Ultra-sons
Frequência 2-10 MHz
Velocidade de Propagação 1400 – 1700 m/s
Frequência de repetição do pulso 2-10 KHz
Ciclos por pulso 1-3
Duração do pulso 0,5-3 ms
Comprimento espacial do pulso 0,1-1 mm
Intensidade espacial máxima 0,01-100 mW/cm2
Coeficiente de atenuação 1-5 dB/cm
Comprimento de onda (l)
O comprimento de onda determina o tamanho do 
pulso
l=V/f
Varredura do feixe de Ultrassom
 Mecânica (Cristal oscilatório e girante 
em meio aquoso)
 Eletrônico (rede de cristais com 
aplicação de pulsos controlados 
eletronicamente)
 Eletrônico e mecânico (Para a 
geração de imagens em 3D) 
Modos de aprentar os resultados
 Modo A (Amplitude)
 Modo B (Brightness)
 Modo M (Movement)
Princípio de aplicação
Modo A
Computador
A
m
p
lit
u
d
e
Profundidade
Modo B
Ganho
=+
Modo B
Ganho
=+
O valor do pixel é 
representado pela 
amplitude do eco
Amplifica
Compensa
Comprimi
Demodula
Rejeita o 
ruido
O potencial do Ultrassom em 
Biomedicina?
 É um método quantitativo não invasivo;
 Tem uma vasta aplicação nas mais; diversas 
áreas de diagnóstico clínico;
 É de baixo custo;
 É uma das áreas que mais avançou 
tecnologicamente. 
 O Ultrassom moderno faz uso de métodos 
avançados de processamento de sinal digital 
que concatena os modelos matemáticos de 
processamento com o limite de 
funcionamento dos hardware.
Recepção, amplificação, 
compensação e discriminação 
dos ecos.
Resolução espacial
Frequência Profundidade da imagem
Largura do feixe Resolução Lateral
Comp. Espacial do pulso Resolução axial
Ciclos por pulso Resolução axial
Frequência Resolução axial
Resolução Axial (RA)
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 (l) das ondas de
Ultrassom
 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 Lateral (RA)
Taxas de refexão em 
interfaces biológicas
Interface Pr/Pi Ir/Ii
 Rim- Figado 0,006 0,00004
 Fígado-Músculo 0,10 0,0003
 Gordura-Fígado 0,120 0,01
 Musculo-Osso 0,64 0,41
 Musculo-Ar -0,99 0,98
Atenuação do ultrassom
 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
Ecodoppler
 Quando o refletor se movimenta, a freqüência
do Ultrassom que compõe cada eco é
alterada. Esse efeito permite que os objetos
que se movem, aproximando-se ou
afastando-se do transdutor, possam ser
detectados.
 A ecodoppler permite a medição de fluxos nos
vasos sangüíneos, bem como o registro do
movimento das paredes e das válvulas do
coração.
A velocidade com que o 
refletor se move
Velocidade c
Transdutor
Feixe de Ultrassom
Fluxo sanguíneo
Imagem Color-Doppler
2d
t
c
 
c  velocidade do som
V
t
t
d
Ecodoppler com fluxo em 
cores
Ecodoppler com fluxo em 
cores
Usando contraste de microbolhas
Evolução Tecnológica
Siem
ens
GE
MobiSa
nte
Ultrasom Diagnóstico 3D