INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA

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1 INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS Licenciatura em Engenharia Biomédica da FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 1

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3 RESUMO Introdução. Ultra-sons. Princípios Básicos. Propagação de ondas acústicas. Transdutores. Análise por Ultra-sons. Técnicas: Pulso-eco e Modo transmissão. Equipamento. Atenuação. Reflexão e Refracção. Aplicações. Representação dos resultados: A-scan; B-scan e C-scan. Sistemas de Imagem em aplicações clínicas: Imagens 2D; 3D e 4D. Doppler. Vantagens e Limitações. Aplicações de diagnóstico. Aplicações terapêuticas. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 3

4 ULTRA-SONS PRINCÍPIOS BÁSICOS Ultra-sons: Ondas acústicas com frequências superiores às detectadas pelo ouvido humano. Sub-sons/Infra-sons Áudio frequências Ultra-sons 20 Hz 20 khz Frequência Ondas mecânicas constituídas por oscilações discretas de cada uma das partículas do meio. Analogia clássica com o modelo da massa e da mola: ao afastar-se a massa do seu ponto de equilíbrio dá origem a uma oscilação. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 4

5 ULTRA-SONS PRINCÍPIOS BÁSICOS Considerando o modelo bidimensional, quando as partículas são excitadas de um dos lados vai surgir uma oscilação harmónica com todas as partículas em fase. Na prática, devido às ligações não serem rígidas, os planos supostamente de fase constante, sofrem um atraso, dando origem à chamada onda elástica. Longe das fronteiras do material vamos ter 2 tipos de ondas: Ondas Longitudinais (Compressão) Ondas Transversais (Shear) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 5

6 PROGAGAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS As ondas transversais só existem em meios com elasticidade transversal (sólidos). Normalmente o valor da sua velocidade de propagação é cerca de metade do valor da velocidade de propagação da onda longitudinal (V L 2V T ) Comprimento de Onda (): Distância entre dois picos ou dois vales ou tempo que a fonte leva para executar uma vibração completa. Frequência (f) : Número de oscilações por segundo (Hz).( Velocidade de Propagação da Onda (V): V = f (m/s)( INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 6

7 PROGAGAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS Ondas longitudinais Oscilações na direcção da propagação da onda Movimento dos átomos Direcção da onda INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 7

8 PROGAGAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS Ondas Transversais Oscilações na direcção perpendicular à propagação da onda Movimento dos átomos Direcção da onda INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 8

9 PROGAGAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS Simbologia e unidades mais frequentemente usadas na caracterização de ondas planas Símbolo Grandeza Unidade Veloc. Angular rad/s Símbolo Grandeza Unidade p(t) Pressão Pa f Frequência Hz Relação de Poisson - u Comprimento de onda Deslocamento das partículas m m E G Módulo de Young Módulo transversal N/m 2 N/m 2 Pa N / m (1Pa10bar) 2 V(C) v Velocidade de propagação Velocidade das partículas m/s m/s Z P Impedância acústica Potência acústica Ns/m 3 W 3 6 Ns / m 10 1R Massa específica Kg/m 3 J(I) Intensidade acústica W/m 2 F Força N INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 9

10 PROGAGAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS Ondas planas Pressão acústica p V u Z u [Pa] De uma forma geral a pressão acústica é a grandeza mais importante na caracterização do campo acústico, no entanto podemos ter também interesse no uso da intensidade acústica J p 2 Z 1 2 Z u [ W / m ] A intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude da pressão acústica. A relação é aplicável tanto para ondas transversais como para longitudinais, bastando para cada caso usar a respectiva impedância acústica Z V [R] INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 10

11 PROGAGAÇÃO DE ONDAS ACÚSTICAS As velocidades dependem de parâmetros físicos dos materiais. Podem ser definidas pelas seguintes expressões V L E (1 ) (1 )(1 2 ) V T E 1 2(1 ) Exemplos: Material V L (m/s) V T (m/s) Z (Rayl) Aço Alumínio Acrílico ,2 Água ,5 Quartzo ,2 INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 11

12 TRANSDUTORES Constituição: Sistema de inspecção UT Pulser/ Receiver, Transdutor(es) e dispositivo de visualização. Pulser / Receiver : Dispositivo Electrónico que produz o pulso eléctrico. Transdutor : Gera impulsos de alta frequência. - Converte energia eléctrica em vibrações mecânicas (som) e vice-versa. - O transdutor tem a capacidade funcionar como transmissor e receptor INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 12

13 TRANSDUTORES Excitação do transdutor. Utilização de sinais eléctricos do tipo SINUSOIDAL ( trem de sinusóides). ides). SPIKE. IMPULSO. Transforma a energia eléctrica em vibrações mecânicas e transmite essas vibrações para o meio em que está inserido. As ondas ultra-sónicas são introduzidas no material, propagam-se ao longo deste com velocidade constante. Em interfaces (entre meios distintos) parte da energia da onda é reflectida e parte é transmitida. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 13

14 TRANSDUTORES A quantidade de energia reflectida ou transmitida pode ser detectada e providenciar informação acerca do tamanho do objecto reflector. O tempo de propagação da onda pode ser medido, proporcionando informação acerca da distância percorrida. Inspecção por ultra-sons: Método de inspecção muito versátil. As inspecções podem ser realizadas com recurso a diferentes técnicas. As técnicas de inspecção por ultra-sons são em geral divididas em três classificações primárias: Pulso-eco e Modo-Transmissão. Feixe Normal e Feixe Angular Contacto e Imersão INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 14

15 TÉCNICA PULSO-ECO O transdutor funciona como emissor e receptor. As ondas ultra-sónicas são reflectidas na face oposta da peça a e na descontinuidade na forma de ecos. O tempo de propagação corresponde a duas vezes a espessura da peça. Pulso inicial Eco superfície oposta Eco fissura fissura Display de equipamento UT Objecto INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 15

16 TÉCNICA PULSO-ECO É enviado um pulso de curta duração. O tempo de propagação ( ida e volta ) do pulso é medido. A-scan A Amplitude Pulso de emissão A ecos B C B C osciloscópio Tempo (profundidade) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 16

17 TÉCNICA PULSO-ECO EXEMPLO INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 17

18 MODO-TRANSMISSÃO Transdutor emissor Peça a a testar descontinuidade Um transdutor funciona como emissor e o outro receptor. As ondas ultra- sónicas são recebidas na face oposta pelo receptor e reflectidas na descontinuidade. O tempo de propagação corresponde à espessura da peça. Transdutor receptor INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 18

19 MODO TRANSMISSÃO 1 1 T R 1 1 T R Ultra-sons parcialmente bloqueados Redução da amplitude do sinal recebido INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 19

20 ATENUAÇÃO Os ultra-sons sofrem dispersão e absorção ao propagarem-se num dado meio: Redução da intensidade do sinal é designada por atenuação A variação na intensidade é proporcional à distância = coeficiente de atenuação depende do material I I o - x e I o é a intensidade inicial I o Intensidade decrescente Distância INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 20

21 ATENUAÇÃO Rearranjando a equação anterior vem: I Io x e Aplicando logaritmos naturais ln I Io x 1 I ln 0 x I Np/m 1 Np = db INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 21

22 ATENUAÇÃO Atenuação em função da frequência 1000 Attenuation Coefficient (dbm -1 ) air Pulmões pele baço Hemoglobina água Frequency (MHz) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 22

23 ATENUAÇÃO Mecanismos de atenuação: Absorção (dissipação de calor) Dispersão ( scattering ) depende da relação entre o tamanho da partícula (a) e o comprimento de onda () Escala de Interacção Dependência da frequência Tipo de dispersão Exemplos a >> Dispersão geométrica f 0 =1 (não há dependência) Forte Diafragma, artérias, tecidos moles, ossos,quistos a ~ Dispersão Estocástica f 2 Moderada Predominante,na maior parte das estruturas a << Dispersão Rayleigh f 4 Fraca Sangue INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 23

24 REFLEXÃO E REFRACÇÃO A presença de defeitos ou outras anomalias em materiais pode ser detectada através de variações de impedância acústica. Z = V (Ns/m 3) Numa interface entre materiais diferentes existe sempre uma onda reflectida e uma onda transmitida. Os coeficientes de reflexão e transmissão em termos de pressão acústica são dados por R Z Z 2 1 Z Z 1 2 T 2Z2 Z Z 1 2 Para minimizar reflexão, as impedâncias dos meios devem ser o mais próximas possível. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 24

25 REFLEXÃO E REFRACÇÃO Exemplo: Transmissão de uma onda plana do aço (Z 1 =45 Rayl) para a água (Z 2 =1,5 Rayl) 1,5 45 R 0,935 T 1,5 45 (a) 21,5 1,5 45 0,065 Se a transmissão for da água para o aço (b): R=0,935 T=1,935 p i p r p t O facto da pressão acústica no meio 2, para o caso (b), exceder a pressão da onda incidente não contraria o principio da conservação de energia na interface, pois a intensidade de energia depende do quadrado da pressão, mas também é inversamente proporcional à impedância acústica. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 25

26 REFLEXÃO E REFRACÇÃO Coeficientes de reflexão e transmissão em termos de intensidade acústica R ( Z Z ) 4Z Z T 2 2 ( Z1 Z2) ( Z1 Z2) Pode provar-se a validade das expressões R e T, tanto em termos de pressão como em termos intensidade de potência acústica Pressão Tem de existir continuidade na interface: p i +p r =p t Intensidade acústica Tem de existir conservação de energia: J i =J r +J t INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 26

27 REFLEXÃO E REFRACÇÃO Incidência obliqua Reflexão e refracção dos ultra-sons de modo semelhante à luz. Num interface plano entre dois meios de propagação: Parte do feixe é reflectida e o restante é transmitido. As leis de reflexão e refracção mantêm-se. Lei de Snell Meio 1 Velocidade no meio 1= v 1 Velocidade no meio 2= v 2 i r i sini sin t r V V 1 2 Meio 2 t Neste caso o cálculo da pressão acústica é bem mais complexo INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 27

28 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA DE TRANSDUTORES Os transdutores comerciais normalmente vêm acompanhados por especificações tais como: frequência central, curva de resposta em frequência, diâmetro do cristal, etc. Aspecto típico da resposta de 2 transdutores: Coeficiente de amortecimento a) Baixo amortecimento, amplitude elevada, elevado Q e banda estreita. b) Elevado amortecimento, amplitude baixa, baixo Q e banda larga. Factor de qualidade Largura de banda Q f 2 f0 B=f 2 f 1 f 1 f 1 f 2 f 1 e f 2 : frequências a -3 db f 0 : frequência central INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 28

29 CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR Na banda áudio, as dimensões das fontes são normalmente muito menores do que os comprimentos de onda. Para os transdutores ultra-sónicos essas dimensões são muito maiores que o comprimento de onda, dando origem a 2 zonas distintas do campo acústico: Campo próximo Campo distante Campo próximo: Muitas interferências de várias ondas com fases diferentes 2 2 D N 4 2 D 4 D Diâmetro da fonte Campo distante: É divergente com um ângulo dado por 1,22 sen D INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 29

30 CAMPO ACÚSTICO DE UM TRANSDUTOR Campo próximo Campo distante Pressão acústica ao longo do eixo do transdutor 1 D 2 p 2 p0sen( kz 1 ( ) 1) 2 2 z Expressão aproximada: p p 0 N z (onda esférica) z Distância ao transdutor D - Diâmetro k nº de onda (= 2 / ) (argumento do seno em Radianos) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 30

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32 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS INCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULAR A escolha entre inspecção por incidência normal e inspecção por incidência angular, depende em geral de duas considerações: Da orientação do objecto de interesse a inspeccionar o feixe deve ser dirigido de modo a produzir a maior reflexão a partir do objecto. Eventuais obstruções existentes na superfície da peça a a inspeccionar. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 32

33 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS CONTACTO VERSUS IMERSÃO Para máxima m transferência de energia, o ar existente entre o transdutor e o material a inspeccionar tem de ser removido. Acoplamento. Em inspecção por contacto, (mostrado em slides anteriores) é usado um acoplante tais como a água, óleo ou gel que é aplicado entre o transdutor e o meio a inspeccionar. Em inspecção por imersão, o material e o transdutor são colocados num banho de água. Esta configuração, permite deslocar o transdutor sobre a peça objecto de inspecção, mantendo sempre um acoplamento consistente. No teste por imersão, surge um eco adicional proveniente da superfície frontal da peça. 1 2 IP FWE BWE Defeito IP FWE 2 BWE DE IP = Pulso Emissão FWE = Eco Frontal DE = Eco do Defeito BWE = Eco de Fundo INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 33

34 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS APLICAÇÕES Caracterização de materiais e estruturas: Detecção e caracterização de defeitos: fissuras, inclusões, porosidade, etc. Avaliação de erosão e corrosão medição de espessuras (A-SCAN). Caracterização da microestrutura (estimação do tamanho de grão em metais). Inspecção da integridade de ligações em componentes soldados ou colados. Estimação da integridade de compósitos (delaminações após impacto) e plásticos (C-SCAN) Medicina: Tratamentos Fisioterapia diagnóstico de doenças realização de imagens (B-SCAN) (ecografias) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 34

35 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS REPRESENTAÇÃO A-SCANA Representação A-scan: visualização da amplitude do sinal ultra-sónico recebido pelo transdutor em função do tempo. O tamanho da descontinuidade (ou defeito) pode ser estimado comparando a amplitude do sinal recebido com um de referência (reflector). A profundidade da descontinuidade pode ser determinada medindo o tempo de propagação do eco (posição do sinal no varrimento horizontal). Amplitude do sinal Amplitude do sinal Time Objecto fissura Tempo INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 35

36 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO) Uma das características fundamentais dos agregados lineares é a possibilidade de permitirem a focalização do feixe ultra-sónico num ponto especifico através s da aplicação a cada um dos elementos do agregado sinais com atrasos devidamente calculados. Se for associado à focalização um varrimento sectorial podemos obter uma imagem tipo B-scan. Este processo de focalização e inclinação do feixe é chamado beamforming. Pulso eléctrico Atrasos variáveis D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 Array de transdutores Frente de onda focalizada INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 36

37 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO) Sistema de atrasos e soma de sinais ultra-sónicos usado no beamforming de agregados lineares. Diagrama de blocos de um sistema de imagiologia ultra-sónica baseado num agregado linear. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 37

38 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (TRANSDUTORES MULTI-ELEMENTO) Usando um transdutor multi-elemento, pode ser formada uma imagem 2-D designada por imagem modo B Sistema de imagem B-Scan X Transducer array X Y Y Computer display INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 38

39 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS REPRESENTAÇÃO B-SCAN B (EXEMPLO) Imagem cardíaca aca quatro cavidades INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 39

40 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS REPRESENTAÇÃO C-SCAN C (AMPLITUDE E TIME-OF OF-FLIGHT FLIGHT (TOF)) A representação C-scan: visualização de uma secção da peça perpendicular ao feixe ultra-sónico. As representações (imagens) C-scan são produzidas com recurso a um sistema automático de aquisição de dados: varrimento por imersão. O uso do A-scan em associação com o C-scan é necessário quando se pretenda conhecer a profundidade. Sistema Three-axes com system 3 eixos Tanque com água Water tank INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 40

41 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS REPRESENTAÇÃO C-SCAN C (AMPLITUDE E TOF) Exemplo: Imagens C-Scan: Compósitos Laminados sujeitos a Impacto Sequência das camadas: A) (0,90,0,90) 2s ; B) (0,90) 8 (i) impacto de 1,5 J; (ii) impacto de 2 J;(iii) impacto de 2,5 J (iv) impacto de 3 J A B (i) (ii) (iii) (iv) INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 41

42 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS VANTAGENS A profundidade de penetração, para a detecção ou quantificação de defeitos é superior a outros métodos. É necessário ter, apenas, acesso a um dos lados quando é usada a técnica pulso-eco. Elevada exactidão na determinação da posição dos defeitos bem como na estimação do seu tamanho e forma. Requerem um preparação mínima das peças a inspeccionar. Os equipamentos electrónicos disponíveis proporcionam resultados praticamente instantâneos. Podem ser produzidas imagens detalhadas com sistemas automáticos. Proporciona, também, a medição de espessuras. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 42

43 INSPECÇÃO ULTRA-SÓNICA - TÉCNICAS LIMITAÇÕES As superfícies têm de estar acessíveis para a transmissão dos ultra-sons. Normalmente requer um meio de acoplamento para promover a transferência de energia para o meio em inspecção. Meios que sejam irregulares na sua forma, demasiado pequenos, excepcionalmente finos e muito heterogéneos são difíceis de inspeccionar. Meios com estruturas de grão grosseiras são difíceis de inspeccionar devido à limitada propagação e elevado ruído no sinal. Fissuras orientadas paralelamente à propagação do feixe, podem não ser detectadas. Padrões são necessários para a calibração dos equipamentos e eventualmente para a caracterização dos defeitos. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 43