INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA

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1 INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA Licenciatura em Engenharia Biomédica da FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA Produzido por: JAIME BATISTA DOS SANTOS DEEC - FCTUC Outubro de 08 Jaime Santos 1

2 TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS Outubro de 08 Jaime Santos 2

3 RESUMO Introdução Ultra-sons. Princípios Básicos. Propagação de ondas acústicas. Transdutores. Inspecção 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 terapeuticas Outubro de 08 Jaime Santos 3

4 Ultra-sons - Princípios Básicos ONDAS ACÚSTICAS COM FREQUÊNCIAS SUPERIORES ÀS DETECTADAS PELO OUVIDO HUMANO (aprox( aprox.. 20KHz ). VIBRAÇÃO MECÂNICA DE PARTÍCULAS NUM MEIO (MATERIAL) PROPAGAÇÃO DA ENERGIA DA ONDA. GAMA DE FREQUÊNCIAS USADAS EM TESTES: 100KHz A CENTENAS DE MEGAHERTZ. MEDICINA: DIAGNÓSTICO USA FREQUÊNCIAS A PARTIR DE 3 MHz Outubro de 08 Jaime Santos 4

5 Ultra-sons - Princípios Básicos(cont). COMPRIMENTO DE ONDA, λ: 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 DA ONDA, v v = λ f (m/s)( Outubro de 08 Jaime Santos 5

6 Ultra-sons - Princípios Básicos(cont). MODOS DE PROPAGAÇÃO DOIS TIPOS FUNDAMENTAIS Ondas longitudinais ou de compressão Ondas shear ou transversais Ondas longitudinais Oscilações na direcção do movimento Movimento dos átomos Direcção da onda Outubro de 08 Jaime Santos 6

7 Ultra-sons - Princípios Básicos(cont). MODOS DE PROPAGAÇÃO Ondas shear Oscilações na direcção perpendicular ao movimento da onda Movimento dos átomos Direcção da onda Outubro de 08 Jaime Santos 7

8 Ultra-sons - Princípios Básicos(cont). GERAÇÃO DE ULTRA-SONS Sistema de inspecção UT Constituição ão: Pulser/ Receiver, Transdutor(es) e dispositivo de visualização. Pulser / Receiver : Dispositivo Electrónico que produz o pulso eléctrico. Transdutor : gera pulsos de alta frequência. - Converte energia eléctrica em vibrações mecânicas (som) e vice-versa. - O transdutor tem a capacidade funcionar como transmissor e receptor Outubro de 08 Jaime Santos 8

9 Ultra-sons - Princípios Básicos(cont). GERAÇÃO DE ULTRA-SONS (CONT.) USO DE SINAIS ELÉCTRICOS DO TIPO: SINUSOIDAL ( trem de sinusóides). ides). SPIKE. IMPULSO. Objectivo: Excitação do transdutor. Transforma a energia eléctrica em vibrações mecânicas e transmite essas vibrações para o meio em que está inserido. Outubro de 08 Jaime Santos 9

10 - Princípios 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. A quantidade de energia reflectida ou transmitida pode ser detectada e providenciar informação acerca do tamanho do reflector. O tempo de propagação da onda pode ser medido, proporcionando informação acerca da distância percorrida. Outubro de 08 Jaime Santos 10

11 nica- Técnicas 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. Outubro de 08 Jaime Santos 11

12 nica- Técnicas 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 Objecto Display de equipamento UT Outubro de 08 Jaime Santos 12

13 nica- Técnicas TÉCNICA PULSO ECO (CONT) É enviado um pulso de curta duração ão. O tempo de propagação ( ida e volta ) do pulso é medido. Pulso de emissão A-scan A Amplitude A ecos B C B C osciloscópio Tempo (profundidade) Outubro de 08 Jaime Santos 13

14 nica- Técnicas TÉCNICA PULSO ECO (CONT) EXEMPLO Outubro de 08 Jaime Santos 14

15 nica- Técnicas ATENUAÇÃO ULTRASSONORA Os ultra-sons sofrem dispersão e absorção ao propagarem-se num dado meio: Redução em intensidade é designada por atenuação A variação na intensidade distância α = coeficiente de atenuação depende do material I = I o e - α x I o é a intensidade inicial Outubro de 08 Jaime Santos 15

16 nica- Técnicas ATENUAÇÃO ULTRASSONORA I o Intensidade α decrescente Distância Outubro de 08 Jaime Santos 16

17 nica- Técnicas COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO ÃO (α) Rearranjando a equação anterior vem: I Io α x = e Aplicando logaritmos naturais ln I Io = α x α = - 1 x ln I I o Np/m 1 Np = db Outubro de 08 Jaime Santos 17

18 ATENUAÇÃO EM FUNÇÃO DA FREQUÊNCIA 1000 Pulmões 100 pele air 10 água Hemoglobina baço 1.0 Attenuation Coefficient (dbm -1 ) Frequency (MHz) Outubro de 08 Jaime Santos 18

19 Dispersão dos Ultra-sons Mecanismos de atenuação: absorção (dissipação de calor) Dispersão ( scattering ) depende da relação entre o tamanho da partícula (a) e o comprimento de onda (λ) Escala de Interacção a >> λ Região geométrica a ~ λ Região Estocástica Dependência da frequência f 0 =1 (não há dependência) f 2 Tipo de dispersão Forte Moderada Exemplos Diafragma, artérias, tecidos moles, ossos,quistos Predominante,maior parte das estruturas a << λ f 4 Fraca Blood Outubro de 08 Jaime Santos 19

20 nica- Técnicas TÉCNICA EM MODO TRANSMISSÃO Transdutor emissor descontinuidade Peça a a testar 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 Outubro de 08 Jaime Santos 20

21 nica- Técnicas TÉCNICA EM MODO TRANSMISSÃO (CONT.) 1 1 T R 1 1 T R Ultra-sons parcialmente bloqueados Redução da amplitude do sinal recebido Outubro de 08 Jaime Santos 21

22 nica- Técnicas REFLEXÃO E REFRACÇÃO Reflexão e refracção dos ultra-sons de modo semelhante à luz. Num interface plano entre dois meios de propagação ão: Parte do feixe é reflectida e o restante é transmitido. As leis de reflexão e refracção mantém-se. Lei de Snell Meio 1 θ i θ r θ = θ i r Velocidade no meio 1= v 1 Velocidade no meio 2= v 2 sinθ sinθ i = t V V 1 2 Meio 2 θ t Outubro de 08 Jaime Santos 22

23 nica- Técnicas REFLEXÃO E REFRACÇÃO (CONT.) Numa situação de incidência normal, a fracção do sinal reflectido entre o meio 1 e o meio 2 é função do coeficiente de reflexão, em que: R R = Z Z 1 2 = Z1 + Z2 Z é a impedância acústica dada por: v é a velocidade dos ultra-sons e ρ é a densidade Para mínima reflexão, as impedâncias dos meios devem ser o mais próximas possível. A fracção do sinal transmitido é: Z Z 2 1 Z + Z T = = Z 2Z 4Z Z 1 2 ( Z + ZZ) = ρv 2 2 Outubro de 08 Jaime Santos 23

24 nica- Técnicas IMPEDÂNCIAS ACÚSTICAS Material Impedance, Z (kg m -2 s -1 ) Ar Aço Acrílico Tecido humano Músculo Água Outubro de 08 Jaime Santos 24

25 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO EM ALGUNS MEIOS dry air gelatine (10%) natural rubber lung gall stone Perspex bone tooth brass glass steel Corpo humano Tecidos moles e água Cérebro Fígado Rim Sangue Musculo Globo ocular Crânio Velocity at 25 C (m/s) Outubro de 08 Jaime Santos 25

26 nica- Técnicas INCIDÊNCIA NORMAL E INCIDÊNCIA ANGULAR A escolha entre inspecção por incidência normal e inspecção por incidência angular, depende em geral de duas considerações ões: Da orientação do objecto de interesse a inspeccionar o som deve ser dirigido de modo a produzir a maior reflexão a partir do objecto. Eventuais obstruções existentes na superfície da peça a inspeccionar. Outubro de 08 Jaime Santos 26

27 nica- Técnicas Contacto versus Imersão Para máxima transferência de energia,, o ar existente entre o transdutor e o material a inspeccionar tem de ser removido. 1 2 IP FWE BWE Defeito IP 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. FWE 2 BWE DE IP = Pulso Emissão FWE = Eco Frontal DE = Eco do Defecto BWE = Eco de Fundo Outubro de 08 Jaime Santos 27

28 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: ão - Técnicas Tratamentos Fisioterapia diagnóstico de doenças realização de imagens (B-SCAN) (ecografias) Outubro de 08 Jaime Santos 28

29 Representação A-Scan 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 Outubro de 08 Jaime Santos 29

30 Ultra-sons focalizados. O tempo de tempo de chegada dos pulsos a cada transdutor dá a direcção de propagação ão. Pulso eléctrico Inspecção Representação B-Scan - Transdutores multi-elemento 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 Outubro de 08 Jaime Santos 30

31 Representação B-Scan 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 Outubro de 08 Jaime Santos 31

32 Representação B-Scan - Exemplo Imagem cardíaca aca quatro cavidades. Outubro de 08 Jaime Santos 32

33 Sistema Three-axes com system 3 eixos Inspecção Representação C-Scan Amplitude e 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. Tanque com água Water tank Outubro de 08 Jaime Santos 33

34 Representação C-Scan Time-of of-flightflight (TOF) Imagens C-Scan: Compósitos Laminados sujeitos a Impacto Sequência das camadas: A) (0,90,0,90) 2s ; B) (0,90) 8 (i) impact of 1,5 J; (ii) impact of 2 J;(iii) impact of 2,5 J (iv) impact of 3 J A B (i) (ii) (iii) (iv) Outubro de 08 Jaime Santos 34

35 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 pulsoeco. 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. Outubro de 08 Jaime Santos 35

36 Limitações As superfícies têm de estar acessíveis para a transmissão dos ultra-sons. Normalmente requere um meio de acoplamento para promover a transferência de energia para o material em inspecção. Materiais que sejam irregular na sua forma, demasiado pequenos, excepcionalmente finos e muito heterogénios são difíceis de inspeccionar. Materiais com estruturas de grão grosseiro 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. Outubro de 08 Jaime Santos 36