Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicos e Aplicações

1. Seminário de Ultra-Som - Princípios Físicose Aplicações SEL 705 - Fundamentos Físicos dos Processos de Formação de Imagens Professor: Dr. Homero Schiabel Aluna: Paula Zitko

2. 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

3. 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)

4. Ultra-Som X Intervalos Sonoros 20Hz 20000Hz Audição Humana Ultra-Sons Infra-Sons Cão, morcego E golfinho Elefantes (2 km)

5. Histórico

6. 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

7. 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)

8. 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

9. 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

10. Características do Som

11. Meios materiais Meios elásticos O que é o Som? • Som = Vibração da matéria; • Transmissão:

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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

16. Onda Sonora Transmitida; Refletida; Interface: Refratada... Fenômenos Sonoros • Comportamento do som;

17. 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.

18. 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;

19. Reforço • o som refletido chega ao tímpano antes do décimo de segundo; • reforça a excitação do tímpano e reforça a ação do som direto.

20. 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.

21. 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;

22. 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;

23. 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

24. Interferência • representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto;

25. 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

26. 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.

27. 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

28. 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.

29. Efeito Doppler • som é gerado ou refletido por um objeto em movimento; • Há mudança na percepção do som;

30. Scanner e Transdutor

31. 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.

32. Transdutores FG-32ua (by Pentax ®)Transdutor Endoscópico C3-7ED - SonoAce Transdutor Convexo EUP-OL334Transdutor Laparoscópico EUP-ES322EUP-ES533Transdutores Trans-Esofágicos

33. Transdutores e Elementos piezoelétricos Emite eletricidade Elementos piezoelétricos Transforma energia elétrica em mecânica (onda sonora) efeito piezoelétrico inverso transmissores e receptores simultaneamente.

34. 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.

35. Transdutores Esquema simplificado de transdutor com elemento cerâmico único

36. 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.

37. 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

38. Modo A – Amplitude • Mais antigo (1930); • fornece informações unidimensionais; • muito utilizado em oftalmologia; • Diagnostica tumores, corpos estranhos e descolamento da retina;

39. 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;

40. 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

41. 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.

42. 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.

43. Principais Aplicações

44. 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;

45. 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.

46. 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;

47. 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;

48. 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;

49. 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

50. 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;