Ultrasunetele

6/4/2015

1

Ultrasonografia

Cursul 8

Continut

Notiuni de fizica - ultrasunete

Introducere in ultrasonografie

Istoric

Formarea imaginii

Sistemul de imagistica cu ultrasunete

Moduri de afisare

Atenuarea ultrasunetelor in tesut

Aplicatii ale ultrasunetelor in medicina

Imagistica Doppler

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

Notiuni de fizica: ultrasunete Ultrasunete = unde mecanice, longitudinale cu o frecven mai mare de limita superioar

a auzului uman, care este de 20.000 Hz sau 20 kHz.

Aceste unde de presiune se propag in materie prin compresie i expansiune asupramaterialului considerat

Presiune -> undele sunt generate prin comprimarea si eliberarea unui volum mic de esut

und longitudinal -> particulele propagate intr-un mediu revin napoi i foreaza n acelai direcie de deplasare a undei

6/4/2015

2

Proprietati ale sunetelor:

n solide, sunetele se propag sub form de unde longitudinale i unde transversale, iar n fluide ( lichide i gaze ) sub forma de unde longitudinale.

Sunetele nu se propag n vid.

Viteza de propagare a sunetelor depinde de mediul n care se propag , de tipul de unde i de procesul termodinamic ce nsoete propagarea lor. Astfel, viteza de propagare a undelor longitudinale n solide este :

unde E este modulul de elasticitate ( modulul lui Young ) iar este densitatea mediului elastic.

Proprietatea de ecolocatie: Ultrasunetele sunt percepute de ctre lilieci, delfini i alte animale care au capacitatea de a le produce i a le recepiona.

Sistemele SONAR = utilizeaza sunetul pentru navigarea sau pentru localizarea altorambarcaiuni, de obicei, de ctre submarine

Notiuni de fizica: ultrasunete

E

v =1

Din cauza lungimii de und foarte mici, ultrasunetele au o directivitate remarcabil i animalele respective se pot orienta n spaiu i pot percepe deplasarea obiectelor pe care se reflect ultrasunetele.

Proprietatile fizice ale ultrasunetelor

Frecventa (f) = numarul de oscilatii ale undei per un ciclu de 1 secunda (Hertz: Hz sau cycles/sec)

Perioada ()= durata de timp pentru un ciclu de unda ( = 1/f)

Intervale:

Infrasunete < 15 Hz

Spectrul auditiv ~ 15 Hz - 20 kHz

Ultrasunete > 20 kHz;

Ultrasunetele utilizate in medicina: 2MHz la 16MHz cu aplicatii medicale specifice pana la 50 MHz

Notiuni de fizica: ultrasunete

Proprietatea de material: impedanta acustica

In an interface between two media, light may be both reflected and refracted.

Impedanta acustica = marimea care redadificultatea unei unde de a strabate un material

Diferente mari in impedanta acustica (de exemplu, interfata os muschi) presupune o vizibilitatea buna peecografie, pe cand diferenta mica dintreimpedantele unor tesuturi moipresupune o vizibilitate scazuta a scannerului de ecografie

Notiuni de fizica: ultrasuneteNotiuni de fizica: ultrasunete

6/4/2015

3

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

Introducere in ultrasonografie Sistemele cu ultrasunete utilizeaza frecvente f. inalte

cativa MHz

Un sunet este o unda care are proprietatile specifice undelor: reflexie, refractie si difractie.

Imagistica bazata pe ultrasunete se bazeaza pe proprietatea de reflectivitate.

In practica, un strat subtire de gel este plasat ntre sond i piele pentru a asigura ptrundereaintregului semnal n organism.

Sonda contine un emitator si un transmitator.

Un impuls de sunete este transmis de catre transmitator.

Pulsul este reflectat de o suprafa i revine la receptor.

Aparatul de ultrasunete masoara timpul necesar impulsului transmis de a reveni la receptor.

Introducere in ultrasonografie Milioane de unde de ultrasunete sunt

transmise in fiecare secunda.

Cum undele sunt reflectate la diferite momente de timp, dispozitivul de ultrasunete calculeaza distanta (d=v*t) parcursa de unda inainte ca aceasta sa fie reflectata si receptionata de Receptor.

Pe baza acestor informatii de distanta, este construita imaginea din interiorul pacientului.

Semnalele ecou pot fi de doua feluri: Ecou oglinda (specular echo): in cazul in care

ecoul se reflecta din suprafete mari

Ecou imprastiat (scattered echo): ecouri provenite de la obiecte mici, slab reflectorizante


6/4/2015

4

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

n 1880, Jacques si Pierre Curie au observat ca aplicarea de presiune asupra unui cristal de cuar rezult n apariia unei sarcini electrice n cristal.

n 1917, Paul Langevin Frana = un sistem de sonar subacvatic - hidrofon, care utilizeaz efectul piezoelectric pentru a detecta submarine prin ecolocaie

n 1935, primul sistem radar -> fizicianul britanic Robert Watson - Wat .

1935 - obiectivul de a folosi puterea de ultrasunete in scop terapeutic, folosind efectul de nclzire asupra esuturilor vii.

n 1936, Siemens -> prima masina terapeutice cu ultrasunete, Sonostat.

La scurt timp dup al doilea rzboi mondial, cercetatorii au inceput sa exploreze capacitile medicale de diagnostic bazate pe ecografie.

Karl Theo Dussik (Austria) a ncercat localizarea ventriculelor cerebrale prin msurarea transmiterea fasciculului de ultrasunete prin craniu. -> met. Modul A

Alti cercetatori: ultrasunete detectarea calculilor biliari, maselor de san si tumorilor

Istoric

La nceputul anilor 50 `s -au obinut primele imagini cu B mode

Carl Hellmuth Hertz i Inge Edler ( Suedia ) a fcut n 1953 prima scanare a activitii inimii.

Mijlocul anillor 60: Aplicaiilor n ecografie obstetrical i ginecologie

Mijlocul anilor 70 -> a devenit disponibila imagistica scara gri i cu progresul tehnicii de calcul de imagistica cu ultrasunete devine mai buna si rapida.

Anii 80 -> B mode in timp real

n anii 90 -> scanere de nalt rezoluie cu formarea fascicolului digital=> contrastul tesutului si imbunatatirea diagnosticului -> un rol important in imagistica de san si de detectare a cancerului.

Doppler color i Duplex au devenit disponibile oferind sensibilitate pentru debitulredus al circulatiei

In prezent, maini cu performane avansate: sisteme de ultrasunete echipate cuimagistica compusa in timp real, 3D i 4Dcu ultrasunete, cu vedere panoramic, etc.

Istoric Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

6/4/2015

5

Formarea imaginii

Formarea imaginii de la sunet -> imagine consta in

producerea ultrasunetelor,

receptia ecourilor, precum si

interpretarea acestor ecouri

Formarea imaginii Formarea imaginii de la sunet -> imagine

O unda de ultrasunete este produsa de un traductor piezoelectric incapsulat intr-o carcasa care poate avea mai multe forme

Pulsurile puternice si scurte de la aparatul de ultrasunete fac ca traductorul sa transmita un zgomot de o anumita frecventa dorita.

Frecventele sunt in intervalul 2-18 MHZ.

Sunetul este orientat fie prin forma traductorului, fie a unei lentile plasate in fata traductorului, fie a unui set complex de pulsuri controlate produce de aparatul de ultrasunete.

Unda traverseaza corpul pacientului si focalizeaza la o anumita adancime.

Aceasta orientare/ ghidare conduce la un semnal in forma de arc de pe suprafata traductorului, ca in figura de mai jos:


Receptia ecourilor

Revenirea ecourilor la traductor are loc in acelasi mod in care unda este transmisa, numai ca in sens invers.

Semnalul unda receptionata produce o vibratie traductorului care transforma aceste vibratii in pulsuri electrice care ajung la scannerul cu ultrasunete unde acestea sunt procesate si transformate intr-o imagine digitala.

Formarea imaginii

Scannerul trebuie sa determine trei informatii de la fiecare ecou receptionat: Timpul necesar ecoului sa se intoarca din momentul transmiterii sunetului initial

Distanta focala pentru lantul de cristale piezoelectrice in faza - care este dedusa din perioada de timp necesara revenirii ecoului, permitand o imagine clara a ecoului la adancimea traversata

Puterea ecoului Unda nu este un click ci un puls cu o anumita frecventa purtatoare . Obiectele in miscare isi schimba frecventa la reflectie, asadar pentru a avea sonografie Doppler simultana trebuie intervenit cu un proceselectronic.

Odata ce scannerul cu ultrasunete a stabilit cei trei parametri, acesta poate localiza care pixel va fi luminat si cu ce luminozitate si cu ce nuanta (in cazul utilizarii informatiei de frecventa).


Formarea imaginii

Conversia semnalului receptionat in imagine poate fi redat cu ajutorul unei foi goale de hartie.

Ne imaginam un traductor lung si plat deasupra foii de hartie.

Acesta trimite impulsuri pe coloanele foii de hartie (ex. A, B, C, etc..)

Ecourile revenite de pe fiecare coloana sunt receptionate.

Cand un ecou este auzit se inregistreaza timpul necesar revenirii ecoului.

Cu cat perioada de timp este mai mare, cu atat linia respectiva este mai adanca.

Puterea (taria) ecoului determina luminanta pozitiei respective (albul corespunde unui ecou puternic, negrul unui ecou slab si variatiile de gri plajei de ecouri corespunzatoare).

Cand toate ecourile sunt inregistrate pe coala de hartie se formeaza imaginea cu nivele de gri.

Imaginile de la scannerul de ultrasunete pot fi afisate, captate si difuzate prin intermediul unui computer cu ajutorul unui disp. Cadrul (grabber) pentru captarea si digitizarea unui semnal video analogic. Semnalul captat este post- procesat pe acelasi sistem de calcul.

6/4/2015

6

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

Sistemul de imagistica cu ultrasunete Sistemele moderne de ultrasunete

folosesc componente electronice digitale pentru a controla cele mai multe funcii n procesul de imagistica.

Prin urmare, blocurile din imaginea de mai sus reprezint funciile ndeplinite de calculator i de alte circuite electronice i componente fizice nu individuale.

Vom considera acum unele dintre aceste funcii n detaliu i modul n care acestea contribuie la formarea imaginii.

Traductorul = componenta sistemului de ultrasunete, care este pusa n contact direct cu corpul pacientului.

Are dou funcii majore: (1) produce impulsuri de ultrasunete i (2) transmite sau detecteaza ecourile care revin.

In cadrul traductorului exist unul sau maimulte elemente piezoelectrice.

Cnd un impuls electric este aplicat pe elementul piezoelectric, acesta vibreaz i produceultrasunete.

De asemenea, atunci cnd elementul piezoelectric este vibrat de pulsul ecoureturnat, acesta produce un puls de energie electric.

Traductorul concentreaz, fluxul de impulsuri pentru a reda o anumita dimensiunei form specific la diferite adncimi de sondare i, scaneazfasciculul deasupra zonei anatomice sondate.

Sistemul de imagistica cu ultrasuneteAnsamblu traductor

Diferite forme si orientari axiale ale materialului piezoelectric al traductorului

Sistemul de imagistica cu ultrasunete Generatorul de impulsuri Generatorul de impulsuri = produce impulsurile electrice care sunt

aplicate traductorului Pentru imagistica conventionala cu ultrasunete impulsurile sunt produse

cu o vitez de aproximativ 1.000 de impulsuri pe secund. Controlul principal asociat cu generatorul de impulsuri este dimensiunea

impulsurilor electrice care pot fi utilizate pentru modificarea intensitatii i energiei fasciculului de ultrasunete.

Amplificatorul Amplificarea este utilizata pentru a mri amplitudinea

de impulsuri electrice care provin de la traductorul dup ce un ecou este receptionat.

Cantitatea de amplificare este determinat de Gain Setting.

Controlul principal asociat cu amplificatorul este Time Gain Compensation(TGC), care permite utilizatorului s ajusteze ctigul amplificarea n raport cu adncimea locatiilor ecourilor din organism.

6/4/2015

7

Sistemul de imagistica cu ultrasunete Generator de scanare

Generatorul de scanare controleaz scanarea fasciculului de ultrasunete peste seciunea de corp sondata.Acest lucru se face prin controlul secvenei n care impulsurile electrice suntaplicate elementelor piezoelectrice din interiorul traductorului.

Convertor de scanareConversie de scanare este funcia care convertete formatul fasciculului descanare cu ultrasunete ntr-un format de matrice imaginedigital de procesare i afiare.

Procesor de imagineImaginea digital este procesata pentru obtinerea caracteristicilordorite pentru afiare. Aceasta include functii specifice de contrast i reformatarea imaginii dac este necesar.

AfiajulImaginile cu ultrasunete digitale sunt vizualizate pe monitorul echipamentuluii transferat la monitorul/ statia de lucru a diagnosticianului.

O component a sistemului de imagistica cu ultrasunete, care nu este artat este dispozitivul de stocare digital utilizat pentrustocarea imaginilor pentru o vizualizare ulterioar, dac exista aceastaoptiune.

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

Moduri de afisare Modul de afisare/ scanare A - (A = amplitudine)

Prima si cea mai simpla modalitate de afisare a ultrasunetelor

Un singur traductor scaneaz o linie iar ecourile sunt afisate grafic pe ecran n funcie de adncime.

afiarea de informaii prelucrate de la receptor n funcie de timp, cu alte cuvinte afiseaza anvelopa semnalului ecou raportata la timp, adica adancimea d= c*t/2 - Viteza semnalului ecou raportata la adncimea sondata- (Utilizata acum numai n aplicaii de oftalmologie)

Limitari: asocierea dificila intre o semnificatie fizica precisa cu amplitudinea semnalului receptionat fata de timp

Moduri de afisare Modul de afisare/ scanare B - (B Mode )

Presupune miscarea traductorului pe directia x in timp ce fascicolul este orientat pe axa z, tragand un nou impuls cu fiecare miscare

Semnalul receptionat pentru fiecare punct de pe x este afisat ca o coloana

Spre deosebire de modul M, coloanele diferite corespund la pozitii laterale x diferite

Desi, blurata, aceasta modalitate de afisare permite obtinerea directa a distributiei reflectivitatii unei felii

6/4/2015

8

Moduri de afisare Moduri de afisare Modul de afisare/ scanare M - (M = miscare - motion)

Afisarea semnalului corespunzator: fiecare semnal specific scanarii modului A redat intr-o coloana separata a unei imagini 2D pentru o pozitie fixata a traductorului

Valoarea semnalului asociat scanarii A devine informatia de luminanta a afisarii modului M

Miscarea obiectelor de-a lungul axelor traductorului este redata prin alternarea sus-jos a umbrelor de luminanta in imagine

Acest mod este cel mai adesea utilizat pentru sondarea miscarilor valvelor inimii fiind utrilizat in paralel cu o afisare ECG.

Scanare A dupa o linie; B scan dupa mai multe unghiuri, M scan B scan refreshed

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

Atenuarea ultrasunetelor in tesut Atenuarea este termenul folosit pentru -> pierderea de amplitudine a undei

(sau'' semnalului'') pierderi datorate tuturor mecanismelor (absorbie, mprtiere, i modul de conversie)

Amplitudinea atenuarii este data de relatia:

Unde A este factor de amplitudine al atenuarii [cm-1]

Cum este scaderea amplitudinii in (dB) =>

Se defineste coeficientul de atenuare :

Coeficientul de absorbie a unui material este n general dependente de frecvena f, i un model bun pentru aceast dependen este:

Cum, in practica b 1 => din ecuatiile de mai sus:

zAeAzA = 0)(

))()((log20

010

zAzA

AAe = 7.8)(log20 10

bfa =

7.80),(

zfaeAfzA

=

6/4/2015

9


7.80),(

zfaeAfzA

=

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

Aplicatii ale ultrasunetelor Neonatologie: evaluari de baza pentru determinarea de anomalii intercerebrale,

sangerari, functionalitati ale cordului, etc.

Anestezie: ultrasunete sunt frecvent utilizate de anestezisti pentru ghidarea acelor de injectii atunci cnd se introduc solutii anestezice localizate lng nervi

Cardiologie Ecocardiografia este un instrument esenial n cardiologie , pentru diagnosticul de exemplu, al dilatarii anumitor pri ale inimii, a funciilorventriculilor si valvelor inimii

Gastroenterologie n ecografie abdominal, organele solide ale abdomenului(pancreasul, aorta, vena cav inferioar, ficatul, vezica biliara , hepatobiliarele , rinichii , splin) sunt sondate.

In intestin, ultrasunetele sunt blocate de gaze i atenuate n diferit de grsime, de aceea exist capaciti de diagnosticare limitate n acest domeniu.

Medicina de urgen: evaluarea (FAST - Focused Assessment with Sonography for Trauma)

Neurologie: pentru evaluarea fluxului sanguin i stenoze n arterele carotide si arterele mari intracerebrale

Obsetrica

Oftalmologie

Aplicatii ale ultrasunetelor

Urologie: pentru determina, de exemplu, a cantitatii de lichid reinut n vezica unui pacient. ntr-o ecografie pelviana , organe din regiune pelviana sunt sondate (uter, ovare sau vezica urinar). Barbati -> sunt prezentate , uneori, o ecografie pelvina pentru a verifica starea de sntate a vezicii urinare lor, prostata, etc.

Musculo-scheletice : tendoanele, muchii, nervii, ligamente, mase tesuturile moi si suprafete osoase

Sistemul cardiovascular: pentru evaluarea permeabilitatii i posibileiobstrucii alr arterelor ecografie arteriale, diagnostica TVP ( Thrombosonography) precum si determinarea msurii i severitatii insuficienei venoase ( venosonography )

6/4/2015

10

Exemple

Universitatea Politehnica din Bucuresti 37

Ultasonografie ficatUltasonografie tiroida

Ultasonografie fetalaUltasonografie abdominala - vezica

Continut



Istoric

Formarea imaginii


Moduri de afisare



Imagistica Doppler

Imagistica Doppler Ecografia Doppler a vaselor cervicale poate arta: starea vaselor, gradul de ateroscleroz i de risc de accident vascular cerebral, stenozele (ngustrile) acestor vase, sau ocluziile (blocajele) acestor vase, dac exist plci de aterom periculoase, cu risc de accident vascular sau dac

exist trombi (cheaguri) n artere sau dac exist o disecie (despicare) a peretelui vasului de snge.

Ecografia Doppler poate s identifice fie riscul de accident vascular cerebral, fie chiar sursa, cauza arterial a unui accident vascular cerebral.

Ecografia Doppler a arterelor cervicale = o metod simpl, lipsit de pericole pentru pacient, i care poate da foarte multe informaii despre arterele pacientului i despre modul cum circul sngele prin aceste artere

=> evideniind riscul de accident vascular cerebral, sau cauza unui accident vascular cerebral, sau trgnd un semnal de alarm n privina riscului de infarct miocardic.

Aceast metod este foarte util pentru stabilirea unui tratament adecvat, medicamentos, i, uneori chirurgical sau intervenionist. Universitatea Politehnica din Bucuresti 40

Doppler Blood Velocity Measurement

Blood Flow Imaging (BFI)

4D Tissue Synchronization Imaging (TSI)

Blood flow measurement by laser Doppler blood flow imaging (before transplant, 4 weeks after transplatation)

Color Doppler flow imaging revealed blood flow within this mass

ASD flow imaging. Car.4CH.CD

Imagistica aparatului circulator

Ultrasunetele

Documents

Transcript of Ultrasunetele