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. 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 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 Símbolo Grandeza Unidade Veloc. Angular rad/s p(t) Pressão Pa 3 N Kg / m 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 (1Pa 10bar) 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 F Massa específica Força Kg/m 3 N J(I) Intensidade de pot. acústica W/m 2 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 da potência 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 Para ondas longitudinais a pressão (força por unidade de superfície) é exercida perpendicularmente à frente de onda e para ondas transversais paralelamente à frente de onda. A relação entre o deslocamento das partículas (u) e o comprimento de onda () é dado por u J V Ex: No ar para obtermos um deslocamento das partículas da ordem dos 10% de teríamos de ter uma intensidade de cerca de 10 7 W/m 2 (valor extremamente elevado). Em líquidos e sólidos as amplitudes são bem mais baixas. Para a mesma intensidade, no aço o deslocamento das partículas é de cerca 0,00018% de. INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 11

12 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 (R) Aço Alumínio Acrílico ,2 Água ,5 Quartzo ,2 INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 12

13 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 13

14 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 14

15 TRANSDUTORES 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. 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 15

16 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 16

17 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 17

18 TÉCNICA PULSO-ECO EXEMPLO INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 18

19 MODO TRANSMISSÃO Transdutor emissor Peça a a testar descontinuidade Um transdutor funciona como emissor e o outro receptor. As ondas ultrasónicas 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 19

20 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 20

21 ATENUAÇÃO Os ultra-sons sofrem dispersão e absorção ao propagarem-se num dado meio: Redução em intensidade é designada por atenuação A variação na intensidade 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 21

22 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 22

23 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 23

24 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 a >> Região geométrica a ~ 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 << f 4 Fraca Blood INSTRUMENTAÇÃO PARA IMAGIOLOGIA MÉDICA TÉCNICAS DE IMAGEM POR ULTRA-SONS 24