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Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicos e Aplicações

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Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicos e Aplicações. SEL 705 - Fundamentos Físicos dos Processos de Formação de Imagens Professor: Dr. Homero Schiabel Aluna: Paula Zitko. Índice. Intervalos Sonoros; Histórico; Ecolocalização em Golfinhos; Sonar; Características do Som;

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semin rio de ultra som princ pios f sicos e aplica es

Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicose Aplicações

SEL 705 - Fundamentos Físicos dos Processos de Formação de Imagens

Professor: Dr. Homero Schiabel

Aluna: Paula Zitko

ndice
Índice
  • Intervalos Sonoros;
  • Histórico;
    • Ecolocalização em Golfinhos;
    • Sonar;
  • Características do Som;
    • Expansão e Contração;
    • Comprimento, Amplitude, Período e Velocidade;
    • Freqüência;
  • Fenômenos Sonoros;
  • Scanner e Transdutores;
  • Formação da Imagem;
  • Aplicações
o que o ultra som
O que é o Ultra-Som?
  • Vibração Sonora;
  • freqüência acima daquelas que podem ser detectadas pelo ouvido humano (20 mil ciclos por segundo);
  • Usado clinicamente em várias especialidades: obstetrícia, odontologia, fisioterapia, estética, ginecologia;
  • Não emite radiação ionizante (causa efeitos biológicos)
ultra som x intervalos sonoros
Ultra-Som X Intervalos Sonoros

20Hz

20000Hz

Audição Humana

Ultra-Sons

Infra-Sons

Cão, morcego

E golfinho

Elefantes

(2 km)

pioneiros

Apito para cães

Pioneiros
  • 1794 – Lazzaro Spallanzini (orientação dos morcegos) - ecolocalização
  • 1880 - Jacques e Pierre Curie (caracterização física de alguns cristais)
    • Apito de cachorro (10 a 40 KHz)
  • O estudo do ultra-som foi impulsionado com objetivos militares e industriais
    • 1917 - construção do SONAR
sonar s ound n avigation a nd r anging

Esquema simplificado do sonar – O aparelho emite ultra-sons (em vermelho) que atingem o objeto (em azul), sendo refletidas sobre a forma de eco (em verde) e voltando ao aparelho receptor. Com base no tempo entre a emissão e a recepção, é calculada a distância (r)

Sonar - Sound Navigation And Ranging
  • Paul Langevin (físico Francês – 1917) - localizar submarinos alemães
  • Não foi usado antes do final da primeira guerra mundial (1914–1918)
pioneiros1
Pioneiros
  • Douglas Howry
  • W. Roderic Bliss,
  • Fim da 2ª Guerra Mundial => Pesquisa em aplicações médicas

1948-1949 - primeiro sistema com objetivo médico

1950 - primeira imagem seccional

Imagens em preto e branco e sem gradações

pioneiros2
Pioneiros
  • Kossof (Austrália)

1971 - introdução da escala de cinza na imagem - diversos níveis de intensidade de ecos são representados por diferentes tons de cinza

1980 - 1990 - impulso da ultra-sonografia pelo desenvolvimento tecnológico, transformando-a em um importante método de investigação diagnóstica

o que o som

Meios materiais

Meios elásticos

O que é o Som?
  • Som = Vibração da matéria;
  • Transmissão:
propaga o do som
Propagação do Som
  • Objeto vibra = O movimento das partículas carrega e transmite a vibração.
  • Expansão - compressão e corresponde à pressão máxima da propagação sonora
  • Contração - rarefação e corresponde à pressão mínima da propagação sonora.
esquema de onda sonora

Esquema de Onda

Esquema de Onda Sonora

Individualmente as ondas sonoras são caracterizadas por:

  • O comprimento de onda , é a menor distância que vai de uma crista à outra ou de uma depressão à outra.
  • A amplitude é a distância que vai de uma crista ao eixo de propagação da onda. Pode ser também a distância do ponto máximo da depressão ao eixo de propagação.
  • Período é o tempo gasto para que uma oscilação seja completada. No exemplo da figura 2, o período é de 1 segundo.
  • A velocidade de propagação das ondas é constante para um determinado meio.
velocidade da propaga o do som em diversos meios
Velocidade da propagação do som em diversos meios

No vácuo, onde não existe o indispensável meio material que o transporte, o som não se propaga.

freq ncia de uma onda

Esquema de Onda

Freqüência de uma Onda
  • A freqüência = número de oscilações por segundo;
  • A unidade é chamada de hertz (Hz).
  • As ondas tem a mesma freqüência da fonte emissora, independente do meio em que se propaga;
  • Período (inverso da freqüência);

F=1/T

T=1/F

Ex: onda de 20 HZ

fen menos sonoros

Onda Sonora

Transmitida;

Refletida;

Interface:

Refratada...

Fenômenos Sonoros
  • Comportamento do som;
reflex o

Ângulo de

Incidência

Ângulo de

Reflexão

Normal

Diagrama simples ilustrando o fenômeno da reflexão.

Reflexão
  • Quando encontra um meio que não pode ser contornado a onda "bate e volta“;
  • Mudança de direção de propagação da energia ;
  • Retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é oriunda;
  • O ângulo de incidência tem valor igual ao valor do ângulo de reflexão;

USO: A reflexão luminosa é a base da construção e utilização dos espelhos.

reflex o1
Reflexão
  • Reflexão => Reforço, Reverberação e Eco;
  • Ouvido humano capaz de discernir 2 excitações breves e sucessivas em um intervalos maior ou igual a 1/10 segundo;
refor o
Reforço
  • o som refletido chega ao tímpano antes do décimo de segundo;
  • reforça a excitação do tímpano e reforça a ação do som direto.
reverbera o
Reverberação
  • o som breve refletido chega ao ouvido antes que o tímpano, já excitado pelo som direto, tenha tempo de se recuperar da excitação(fase de persistência auditiva).
  • Chama-se reverberação o fato de tantas reflexões chegarem ao ouvinte que ele não as pode distinguir umas das outras.
  • É a chamada continuidade sonora e o que ocorre em auditórios acusticamente mal planejados.
slide21
Eco
  • reflexão de som que chega ao ouvinte pouco tempo depois do som direto;
  • obstáculo necessita estar a mais do que 17 metros de distância=> velocidade do som no ar (340 m/s)
  • Exemplos: eco produzido no fundo de uma escadaria, por um edifício, ou em uma sala, pelas paredes;
refra o

Note como o cano verde parece se quebrar dentro dos copos

Refração
  • A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio;
  • alteração da direção do feixe transmitido em relação ao feixe incidente;
  • passagem da onda por meios com diferentes índices de refração;
  • mudança no comprimento e velocidade, freqüência permanece a mesma;
difra o
Difração
  • A onda tem a capacidade de contornar obstáculos;
  • A difração sonora é imensa por ter seu comprimento muito grande - enorme quando comparado com o comprimento de onda da luz
interfer ncia
Interferência
  • representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto;
interfer ncia construtiva

Interferência construtiva

Interferência Construtiva
  • caráter de reforço quando as fases combinam (interferência construtiva).

Exemplo: Quando escutamos música em nosso lar, percebemos que certos locais no recinto é melhor para se ouvir a música do que outros. Isto é porque nestes pontos as ondas que saem dos dois alto-falantes sofrem interferência construtiva

interfer ncia destrutiva

Fig.11 - Interferência destrutiva

Interferência Destrutiva
  • caráter de aniquilação, quando as fases não são as mesmas (interferência destrutiva)

Ex: Ao contrário, os locais onde o som está ruim de ouvir é causado pela interferência destrutiva das ondas.

imped ncia
Impedância
  • Todo meio material elástico oferece uma certa "resistência" à transmissão de ondas sonoras;
  • Mesma impedância => não há reflexão (toda transmitida);
  • É a diferença de impedância acústica entre dois tecidos que define a quantidade de reflexão na interface, promovendo sua identificação na imagem;
    • Ex: um nódulo no fígado será mais facilmente identificado se sua impedância acústica for bastante diferente do parênquima hepático ao redor;
  • quanto maior a diferença de impedância entre duas estruturas, maior será a intensidade de reflexão
imped ncia ac stica de alguns materiais
Impedância acústica de alguns materiais

Ex: a diferença de impedância entre o ar e os tecidos moles, que justifica a necessidade do gel de acoplamento acústico utilizado para aumentar o contacto entre a pele e o transdutor, caso contrário o feixe seria refletido.

efeito doppler
Efeito Doppler
  • som é gerado ou refletido por um objeto em movimento;
  • Há mudança na percepção do som;
equipamento scanner
Equipamento Scanner
  • Processo onde lança ondas de som em um corpo;
  • as reflexões das ondas de som são capturadas por uma máquina, que as transforma então em uma imagem que pode ser lida;
  • O Ultra-som é um recurso que não envolve o uso de radiação ou qualquer tipo de soluções de contraste que precisam ser engolidos ou injetados;
  • Este é com certeza um método seguro, rápido e muito efetivo para certos tipos exames médicos.
transdutores
Transdutores

FG-32ua (by Pentax ®)Transdutor Endoscópico

C3-7ED - SonoAce

Transdutor Convexo

EUP-OL334Transdutor Laparoscópico

EUP-ES322EUP-ES533Transdutores Trans-Esofágicos

transdutores e elementos piezoel tricos
Transdutores e Elementos piezoelétricos

Emite eletricidade

Elementos piezoelétricos

Transforma energia elétrica em mecânica (onda sonora)

efeito piezoelétrico inverso

transmissores e receptores simultaneamente.

transdutores1
Transdutores
  • Produz e recebe ecos (normalmente 1% da onda emitida);
  • Quanto maior a freqüência, menor o comprimento da onda sonora e melhor a resolução espacial;
    • transdutores (de 3,5MHz) : exame de tecidos profundos, como o abdômen, útero;
    • transdutores (maiores que 7,5MHz): exame de tecidos superficiais, como a mama, tireóide, pele, testículo, etc.
transdutores2
Transdutores

Esquema simplificado de transdutor com elemento cerâmico único

transdutores funcionamento
Transdutores - Funcionamento
  • Meio homogêneo – propagação em linha reta;
  • Meio Heterogêneo – as ondas são refletidas a cada densidade diferente, retornando ecos;
  • Emissor e receptor;
  • Ecos provenientes de interfaces perpendiculares às ondas são recebidos;
  • De acordo com o tempo de emissão e recepção, estabelece-se a profundidade da imagem;
  • quanto mais longe está a estrutura da superfície do transdutor, ela aparecerá em situação mais inferior na tela.

Esquema ilustrativo

de um transdutor.

forma o de imagens por varredura

Informações espaciais

Informações sobre

movimento/velocidade

Formação de imagens por Varredura
  • Existem vários métodos para se extrair uma imagem a partir dos ecos:
  • A-MODE (amplitude mode);
  • B-MODE (brightness mode);
  • M-MODE (motion mode).

Muitos equipamentos podem operar com uma combinação dos modos

modo a amplitude
Modo A – Amplitude
  • Mais antigo (1930);
  • fornece informações unidimensionais;
  • muito utilizado em oftalmologia;
  • Diagnostica tumores, corpos estranhos e descolamento da retina;
modo a amplitude1
Modo A – Amplitude
  • Usa um transdutor que emite um pulso no tecido, o sistema então, lê e plota ao longo do tempo os sinais que retornam;
  • Características:
      • Detecção das reflexões nas interfaces;
      • Tempo de ida-volta proporcional à profundidade de cada interface;
      • Produz uma única imagem de ecos recebidos de apenas uma posição da sonda;
modo b brilho

Ultra-som de mama

Modo B - Brilho
  • mais utilizado;
  • imagens em duas dimensões;
  • Os princípios são os mesmos daqueles do mapeamento A exceto que o transdutor é movimentado;
  • estabelece informação sobre a estrutura interna do corpo;
  • tem sido usado no diagnóstico do fígado, mama, coração e feto;
  • pode detectar gravidez muito cedo, e pode estabelecer informação sobre anomalias uterinas.

Ultra-som no acompanhamento gestacional

modo m movimenta o temporal

Ecocardiografia em Modo M -

ambos ventrículos rodeados de abundante derrame pericárdico

Modo M – Movimentação Temporal
  • gráficos de movimentação temporal;
  • bastante empregado em ecocardiografia;
  • O modo M combina certas características do modo A e o modo B;
  • O transdutor é mantido estacionário como no modo A e os ecos aparecem como pontos no modo B.
as principais peculiaridades do m todo ultra sonogr fico s o
As principais peculiaridades do método ultra-sonográfico são:
  • é um método não-invasivo ou minimamente invasivo;
  • as imagens seccionais podem ser obtidas em qualquer orientação espacial;
  • não apresenta efeitos nocivos significativos dentro do uso diagnóstico na medicina;
  • não utiliza radiação ionizante;
  • a aquisição de imagens é realizada praticamente em tempo real, permitindo o estudo do movimento de estruturas corporais.
aplica es no diagn stico da mama

Ultra-som da mama

Aplicações no Diagnóstico da Mama
  • Método de complementação de imagens mais importante no diagnóstico da mama;
  • Emprego:
    • Diagnóstico de cistos;
    • Avaliação de lesões sólidas;
    • Comprovação de carcinomas;
    • Marcação pré-operatória;
diagn stico de cistos

Ultra-som da mama com nódulo

Diagnóstico de Cistos
  • Comprovação ou não da existência do cisto;
  • Taxa de acertos 100%;
  • Empregado para a avaliação de achados palpáveis;
  • Quando há a evidência de um ou mais cistos, e desde que não exista nenhuma outra imagem adicional (micro calcificações), geralmente não há necessidade de partir para um procedimento cirúrgico;
  • Evita biopsias desnecessárias em cistos simples.
diferencia o entre achados s lidos benignos malignos
Diferenciação entre achados sólidos (benignos/malignos)
  • Diferenciação entre carcinoma e fibroadenoma;
  • Ultra-som é usado como método complementar quando os achados – geralmente palpáveis, não são completamente delimitáveis do ponto de vista mamográfico no tecido denso;
comprova o de carcinomas
Comprovação de Carcinomas
  • Carcinomas hipoecóicos, situados em tecido rico em gordura, a detecção geralmente é prejudicada - ecos de baixa intensidade (cinza escuro); (mamografia);
  • Tecido bastante ecogênico (imagens cinza-claras), os carcinomas (maioria pouco ecogênico), são facilmente identificáveis;
aplica o na ginecologia

Ultra-som transvaginal

Ultra-som endovaginal

Aplicação na Ginecologia
  • Verificar o tamanho de útero e os ovários;
  • Avaliar diagnósticos de Patologias Mamárias;
  • Avaliar possíveis existências de tumores malignos no útero e ovários;
  • Gerenciar infertilidade dos ovários;
aplica o na obstetr cia

Ultra-som fetal

Ultra-som 3D de Gêmeos

Uni vitelinos

Aplicação na Obstetrícia
  • Confirmar a gravidez;
  • Determinar a idade do feto;;
  • Avaliar se há gravidez múltipla;
  • Avaliar o bem estar fetal;
  • Detectar mal formações fetais;
  • Realizar “check up” morfológicos nos órgãos fetais;
  • Determinar com precisão o sexo do feto;
  • Ajudar o obstetra na decisão de ter que fazer um parto mais cedo ou não, quando a gravidez é de risco
aplica es ultra som 2 d

Aspecto de meningomielocele

Aplicações : Ultra-Som 2 D
  • Método Convencional;
  • O ultra-som é feito inicialmente pelo modo bidimensional (crescimento e morfologia do feto);
  • depois são feitas as reconstruções tridimensionais;
  • A diferença entre o que é visto num ultra-som comum e no 3D é a mesma de um desenho só com o contorno e outro pintado e finalizado;
aplica es ultra som 3 d

Aspecto de meningomielocele

Aplicações : Ultra-Som 3 D
  • inovação do método 2D;
  • imagens obtêm uma qualidade quase fotográfica;
  • ajuda a avaliar tumores e a verificar o volume dos órgãos;
  • a possibilidade de olhar o bebê em 360 graus também melhora muito o vínculo afetivo entre mãe e filho
aspecto de meningomielocele ao ultra som convencional e ultra som 3d
Aspecto de meningomielocele ao ultra-som convencional e ultra-som 3D.

Aspecto de meningomielocele

vantagens do ultra som 3d
Vantagens do Ultra-som 3D
  • mais fácil saber o sexo do bebê;
  • imagens mais reais;
  • detalhes de malformações;
  • Identifica se bebês gêmeos estão na mesma placenta ou não;
  • posição do feto se o cordão umbilical está em torno do pescoço;
  • mais preciso no diagnóstico do câncer de mama em jovens;
  • capaz de identificar melhor certas anomalias do útero.
limita es ultra som 3d
Limitações Ultra-som 3D
  • precariedade da avaliação das estruturas fetais internas;
aplica es ultra som 4 d
Aplicações : Ultra-Som 4 D
  • O ultra-som 4D é a imagem do 3D gerada em tempo real;
  • O 1º equipamento que realiza Ultra-Som 3D em tempo real (4D), foi lançado no mercado internacional em outubro de 2001;
medicina interna
Medicina Interna
  • Abdome
    • Fígado
    • Vias Biliares
    • Pâncreas
  • Tireóide

Ultrasonografia da tireóide

cardiologia
Cardiologia
  • Doença coronariana;
  • Doenças do músculo

cardíaco;

  • Doenças do pericárdio;
  • Tumores cardíacos;
  • Cardiopatia hipertensiva;
  • Doenças cérebro-vasculares

Ecocardiografia fetal – demonstrando aneorisma do átrio direito - AN

caracteriza o do tecido sseo
Caracterização do Tecido Ósseo
  • Diagnóstico de osteoporose;
  • Mais simples que os métodos de densitometria óssea por raio X;
  • A velocidade de propagação das ondas de ultra-som é medida somente dentro do osso, sem a contribuição de o tecido mole que o rodeia.
oftalmologia

Ultra-sonografia Oftalmológica no modo B

Oftalmologia
  • Detecta membranas muito finas;
  • detecta pequenos tumores mostrando características internas do tecido.
  • Consegue captar imagens em tempo real com movimento das membranas intra-oculares ou tração vítreo-retiniana.
ultra som com doppler
Ultra-som com Doppler
  • informações quantitativas e qualitativas quanto a seu fluxo sangüíneo;
  • possui grande número de aplicações das quais podemos citar a avaliação de:
    • doenças venosas tromboembólicas;
    • lesões ateroscleróticas obstutivas das artérias;
    • pacientes pós transplante renal;
    • infertilidade e desenvolvimento precoce do embrião ;
    • fluxo vascular em processos neoplásicos .

Hepatocarcinoma e aspecto característico dos vasos nutridores

efeitos biol gicos do ultra som
Efeitos biológicos do Ultra-som
  • efeitos fisiológicos do calor:
  • Aumento no metabolismo;
  • Vasodilatação;
  • Diminuição da viscosidade dos líquidos;
  • Mas o US não produz apenas calor, mas também: micro-massagem (redução de edema);
  • Correntes acústicas (pode aumentar a permeabilidade nas células);
  • Ondas estacionárias; aumento das taxas de difusão de íons através das membranas celulares.
vantagens
Vantagens
  • Relativamente barato (U.S convencional);
  • Rápido;
  • Imagens em tempo real;
  • É possível gravar imagens duvidosas para análise posterior;
  • Isento de risco (faixa Terapêutica);
desvantagens
Desvantagens
  • Depende muito da habilidade do operador do aparelho;
  • Resolução espacial muito abaixo daquela obtida com TC e RMN;
bibliografia
Bibliografia
  • COSTA, MM, DIAS, EN, SILVA, HMS, FIGUEIRA F., ASS. Câncer de Mama para Ginecologistas. Editora Revinter. 1994.
  • Empresa Siemens, http://www.siemens.com/, acesso em 052007
  • Ensino de física à distância, Bertulani C. A, http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/ondas2/ondas2.html, acesso em 21/05/2007
  • Fundação Odontológica de Ribeirão Preto - FORP – USP. Ultra-som. Disponível em ttp://www.forp.usp.br/restauradora/us01.htm#Intro. Acesso em 28/03/07.
  • KÖBRUNNER, Sylia H. Heywang, SCHREER, Ingrid, DERSHAW, D. David, FRASSON, Antonio. MAMA Diagnóstico por Imagem. Rio de Janeiro: Revinter, 1999. 412p
  • MedSom – Equipamentos médicos. Disponível em: http://www.medson.com.br/. Acesso em 25/04/2007
  • NEPOMUCENO, L. X., Tecnologia Ultra-Sônica. Editora Edigar Blücher Ltda. 1980
  • Reseller Web – Mídia de Negócios. Disponível em: http://www.resellerweb.com.br/noticias/artigo.asp?id=90093. Acesso em 06/04/2007
  • ROCHA,DC, BAUAB, SP. Atlas de Imagem da Mama. Editora Savier. 1995.
  • Terra Notícias, Disponível em : http://noticias.terra.com.br/ciencia/interna/0,,OI920212-EI238,00.html. Acesso em 02/04