02/09/2010 COMO SE FORMAM AS IMAGENS DE ULTRASSOM? PTC2892 Princípios da Formação e. PTC2892: Processamen nto de Imagens Médicas.

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1 0/09/010 Plano da aula de hoje PTC89 Princípios da Formação e Processamento de Imaens Médicas Ultra-som Sério S Furuie Princípios físicos Formação de imaens de Ultra-som As aulas estão no site: Revendo aula anterior... Imaem radiolóica = mapa de intensidade da radiação transmitida Ionizante Raio-X Simples, barato Elevada disponibilidade Alta resolução espacial Formação rápida das imaens CT Tomoráficas Alta qualidade => imaens anatômicas - elevada dose de radiação PTC89: Processamen COMO SE FORMAM AS IMAGENS DE ULTRASSOM? 4 O que sabemos sobre ultrassom? Tipo de eneria? Tipo de interação com o corpo humano? Ionizante? Invasivo? Projeção? Ou Tomoráfico? Vantaens/Desvantaens/Limitações? Aluma semelhança com radar? Radar em aeroportos, sonar em submarinos.. presença de objetos e morfoloia 5 6 1

2 0/09/010 Radar metereolóico Radar no trânsito É tomoráfico? morfoloia e velocidade velocidade, movimento => como? 7 8 Corte tomoráfico por reflexão Ultra-som versus CT Reconstrução tomoráfica a partir das projeções CT, Spiral CT, fastct SPECT PET 9 10 Ultrassom: abordaem Como funciona? Princípios físicos Sensores/transdutores Limitações técnicas Vantaens/desvantaens t Aplicações clínicas PTC89: Processamen ULTRA-SOM: PRINCÍPIOS FÍSICOS 11

3 0/09/010 Som Som = ondas mecânicas lonitudinais de compressão e rarefação do meio, com freqüências entre 0 Hz e 0 khz, capazes de sensibilizar o sistema auditivo humano. Humanos - 0 Hz ~ 0 khz Cães - 15 Hz ~ 50 khz Golfinhos Hz ~ 150 khz Morceos - 1 khz ~ 10 khz Infra-som = ondas mecânicas com freqüências abaixo de 0 Hz. Ultra-som = ondas mecânicas com freqüências acima de 0 khz. Princípio físico: eneria acústica Reflexão Refração/transmissão v=. f (velocidade=comprimento x freq. ) v= ~1500 m/s (média no corpo) [5.400 km/h] Percorre 50 cm (ida e volta) em 0.6 ms Se varrer 100 linhas => 60 ms => 0 imaens/s Ondas de compressão e rarefação formando ondas sonoras Equações de onda (t) = A sen [ (x/ - t/t) ] = A sen (kx - t) P(t) = P 0 sen [ (x/ - t/t) ] = P 0 sen (kx - t) onde : k = / = número de onda = /T = f = freqüência anular A = amplitude de deslocamento P 0 = amplitude de pressão = va Parâmetros: caracterizam a onda = comprimento de onda distância entre dois máximos ou mínimos consecutivos de amplitude de oscilação; T = período intervalo de tempo necessário para uma onda percorrer uma distância iual a um comprimento de onda; f = freqüência número de vezes que a onda se repete por unidade de tempo e depende somente da fonte sonora = 1/T. v = f v = velocidade de propaação: função das características do meio através do qual o som se propaa, portanto, independe da freqüência da onda. Onda sonora e curvas de variação do deslocamento e da pressão

4 0/09/010 Princípios físicos Eneria sonora: Parte prosseue => penetra na matéria Parte retorna (refletida) =>detetada pelo sensor Parte é convertida em calor,... Impedância acústica v=. f (velocidade=comprimento x freq. ) Z=. v (Impedância=densidade x veloc.) Merulhando em impedância diferente H O 19 0 Merulhando em alta impedância H Meio 1 Meio Onda Incidente Reflexão, refração Ii Ir i r Onda Refletida t Onda Transmitida ou Refratada It Fiura 5 - Reflexão e refração (ou transmissão) de ondas na interface entre os meio 1 e Eq. Fresnel R+T=1 I r Z.cosi Z1.cost R Ii Z.cosi Z1.cost I t 4Z 1. Z.cos i T I i Z.cosi Z1.cost Lei de Snell seni v1 sen v t 1 Incidência normal Impedância acústica (.001/m/s) a 1 MHz: ar => 0,0004 áua => 1,54 sanue => 1,61 fíado => 1,65 osso => 6,00 rim =>1,6 ordura =>1,38 0 i t Z Z 1 R Z Z1 4Z1. Z T Z Z 3 0 Calcule taxa de reflexão e transmissão para as interfaces: 1) AR ÁGUA ) ÁGUA OSSO 1 Eneria refletida e transmitida Ar => áua R=0,9989 T=0,001 Áua => osso R=0,35 T=0,65 4 4

5 0/09/010 Princípios físicos: eneria desperdiçada Atenuação: absorção (calor) espalhamento frequência => I I e.. x 0 PTC89: Processamen 5 6 Aumento de x em frequencia? No caso da áua, a atenuação aumentou 3 x I I e.. x 0 Transdutor: Efeito piezoelétrico Piezoeletricidade: Tensão alternada produz oscilações nas dimensões do cristal, devido ao re-alinhamento das moléculas polarizadas 7 8 Transdutor: eração e recepção Eco acústico: impedância Transdutor v(t) Atenuação: absorção (calor) espalhamento ~ frequencia O que está incorreto no v(t)? d d=c.t t tempo I I e.. x

6 0/09/010 Princípios físicos: consolidação efeito piezo-elétrico: mecânica <=> elétr. espalhamento dentro das estruturas resolução espacial ~1 mm v= ~1500 m/s (média no corpo) 0-50MHz p/ intra-arterial MHz p/ microscopia celular v=. f Z=. v ( :densidade ) PTC89: Processamen FORMANDO IMAGENS 31 3 Transdutor v Atenuação: modo A (Amplitude) absorção (calor) espalhamento d d=c.t t tempo I I e.. x 0 Modo B (Brilho) modo A em tons de cinza com varredura Modo B: diarama funcional controle automático anho (tempo) baixo ruído eletron. faixa dinâmica elevada janela de tempo (profund) conversão A/D: 0MHz 51 x 51 x 8bits 51 x 51 x 4bits (Doppler) posição de leitura imaem média, simples ou de máximos Fluxo e velocidade feixe Efeito Doppler f vaso f c 0 transd..cos( ). pele fluxo v

7 0/09/010 Velocidade absoluta? Como obter o ânulo de incidência? Modo duplex PTC89: Processamen PTC89: Processamen Ultra-som: deradação T(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 ) B ( f ). A ( f ). E ( f ) T ( f ) S(t) Ruído speckle Ruído devido a interferência de ondas (efeito de superposição de ondas, efeito destrutivo) Ruído correlacionado com o sinal, aproximadamente multiplicativo Aproximadamente distribuição ib i de Raleih (partículas da mesma ordem que o comprimento de onda) ( x) f ( x) se homoêneo, E[ ] f var[ ] f f ( x). N(0,1) f ( x) cte 41 7

8 0/09/010 Filtros adaptativos: ruido aditivo indep. Wiener adaptativo (Lee) Preserva bordas Atenua ruído de reiões homoêneas Sejam: (: imaem dada f(: imaem filtrada (estimada) f ( k. ( (1 k). ( sin al ruído ruído k 1 local k [0,1] se borda local elevado k 1 f( ( se homoêneo k 0 f( ( Filtraem de Imaens Filtro adaptativo por difusão Difusão (ex. no ImaeJ) Isotrópica, linear (difusão térmica) Anisotrópica nãolinear (Perona & Malik) Anisotrópica direcional Detalhes na aula de MN PTC89: Processamen PTC89: Processamen TRANSDUTORES: MAIS DETALHES 46 PTC89: Processamen PTC89: Processamen

9 0/09/010 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. PTC89: Processamen Ultra-som 3D: varr. Mec. tilt 51 Scan rotacional Three-dimensional imae of a prenant uterus with twins. The imae has been "sliced to reveal the two estational sacs. This imae was obtained b means of the rotational scannin approach usin an endfirin endovainal transducer (SPIE pres, Med Ima I). 5 PTC89: Processamen ULTRA-SOM: APLICAÇÕES Ultra-som: aplicações Estudo de estruturas dinâmicas em uma determinada posição. válvulas cardíacas no modo M Cortes tomoráficos D cardíaca fetal abdominal,

10 0/09/010 Ultra-som: aplicações Mapeamento colorido de fluxo (duplex) codificação do fluxo (doppler) em cores sobreposição em imaens D curva temporal ldo fluxo Fluxo turbulento, refluxo, perfil de velocidade Contraste p/ US: micro-bolhas IVUS - Intra Vascular Ultra Sound Ecocardiorafia D e 3D IVUS Ecocardiorafia 3D com microbolhas PTC89: Processamen The 3D imae of the fetal face has been rendered usin a translucencrenderin alorithm with the ra-castin approach. In this imae, the amniotic fluid has been made transparent, and tissues have been made transparent or opaque dependin on the voxel intensit (SPIE Press, Medical Imain) Ultra-som: resumindo + Custo/benefício muito bom Eneria utilizada não é ionizante Exames não são invasivos Inerentemente tomoráfico: dinâmica Exames realizados pelos próprios médicos especialistas. Ruído do tipo speckle (interferência de ondas Informações não são metabólicas, ou fisiolóicas MODALIDADE Consulta: Visual, auditivo, tato, movimento... Radioloia: Convencional Diital Tomoráfica Ultra-sonorafia: Modo A Modo B Modo TM Doppler 3 - D Medicina Nuclear: Convencional SPECT PET Ressonância Manética Nuclear: Tomoráficas Funcionais Microscopia: Óptica Eletrônica FORMAS DE ENERGIA Luz Som Mecânica,... Ondas e.m. Ondas mecânicas Ondas e.m. Ondas e.m. Luz visível Elétrons Luz síncrotron PARÂMETROS FÍSICOS I0, I,, I, z vs, v, fo I, Campos manéticos Momentos manéticos, T1, T, I Coef. transmissão elet. Coef. reflexão elet. INFORMAÇÕES História da saúde Sintomas Anatomia Dinâmica Dimensões Volumes Anatomia Dimensões Massa Movimento Função Velocidade d Fluxo,... Função Metabolismo Dimensões Volumes Anatomia Anatomia Alterações na estrutura dos tecidos Dinâmica Função Histolóicas Estruturas celulares Superfície 59 10

11 0/09/010 Filtro adaptativo para atenuar speckle ImaeJ Filtros adaptativos: ruido aditivo indep. Wiener adaptativo (Lee) Preserva bordas Atenua ruído de reiões homoêneas f ( k. ( (1 k). ( sin al ruído ruído k 1 local k [0,1] se borda local elevado k 1 f( ( se homoêneo k 0 f( ( 61 Filtraem de Imaens (Yu &Acton, 00) Ruído speckle Ruído devido a interferência de ondas (efeito de superposição de ondas, efeito destrutivo) Ruído correlacionado com o sinal, aproximadamente multiplicativo Aproximadamente distribuição ib i de Raleih (partículas da mesma ordem que o comprimento de onda) ( x) f ( x) se homoêneo, E[ ] f var[ ] f f ( x). N(0,1) f ( x) cte Filtro de Lee p/ speckle Abordaem 1 Supondo índice de speckle C constante (Loizou) Variancia do speckle: linear com intensidade do sinal S/N melhora com sqrt(s): ~ Poisson C: estimado em reião homoênea da imaem ' C (reiao homoenea) ' k 1 ruído C. k [0,1] ruído f ( k k C. ( 1 k [0,1]. ( (1 k ( ). ( 64 Filtro de Lee p/ speckle Abordaem Supondo variancia do speckle proporcional ao quadrado do sinal (Yu) D.padrao do speckle: linear com intensidade do sinal S/N não melhora com intensidade do sinal : estimado em reião homoênea da imaem ' ' k 1 ruído. k [0,1] (reiao homoenea) ruído f ( k k. ( 1 k [0,1]. ( (1 k ( ). ( 65 Filtro adaptativo por difusão Difusão (ex. no ImaeJ) Isotrópica, linear (difusão térmica) Anisotrópica nãolinear (Perona & Malik) Anisotrópica direcional Detalhes na aula de MN 11

12 0/09/010 PTC89: Processamen PTC89: Processamen PTC89: Processamen PTC89: Processamen 1