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: http://moodle.stoa.usp.br 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
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
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 - 150 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 13 14 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 15 16 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 17 18 3
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
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 0 9 30 5
0/09/010 Princípios físicos: consolidação efeito piezo-elétrico: mecânica <=> elétr. espalhamento dentro das estruturas resolução espacial ~1 mm (@1MHz) v= ~1500 m/s (média no corpo) 0-50MHz p/ intra-arterial 100-00MHz 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 10 115 33 34 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 35 36 6
0/09/010 Velocidade absoluta? Como obter o ânulo de incidência? Modo duplex 37 38 PTC89: Processamen PTC89: Processamen 39 40 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
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 47 48 8
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 49 50 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,... 53 54 9
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 55 56 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). 57 58 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
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
0/09/010 PTC89: Processamen PTC89: Processamen PTC89: Processamen PTC89: Processamen 1