im - imagistica medicalausers.utcluj.ro/~simona/apim/apim12_4p.pdf-absorbtia energiei undei apim12 -...
TRANSCRIPT
1
APIM12 - 1
Ultrasunetele
APIM12 - 2
Generalitati (1) • ultrasunetele au devenit in ultimii 30 de ani o modalitate
imagistica puternica datorita:
– rezolutiei temporale
– costului scazut
– radiatiei neionizante
– portabilitatii
• aplicatii variate datorate:
– imagisticii armonice
– vizualizarii 3D
– traductorilor micro
– elastografiei
– substantelor de contrast
APIM12 - 3
Generalitati (2)
• sunetul = senzaţia produsă asupra organului auditiv
de către vibraţiile materiale ale corpurilor şi transmise
pe calea undelor acustice
• sunetul (d.p.d.v. fizic) = orice perturbaţie (energie
mecanică) propagată printr-un mediu material sub
forma unei unde
APIM12 - 4
Generalitati (3)
• sunetele cu frecventa 20Hz -20kHz sunt percepute de
urechea umana (sensitivitate maxima la 3500 Hz)
• infrasunete frecventa < 20Hz
• ultrasunete frecventa > 20 kHz
• viteza undelor sonore – depinde de mediul de
propagare – aer: 343 m/s (la 20 °C);
– apa dulce: 1435 m/s;
– otel:5100 m/s.
2
APIM12 - 5
Generalitati (4)
• in domeniul medical - frecventa ~1 - 20 MHz
• considerate sigure la intensitatile utilizate
• imaginile sunt obtinute pe baza timpului necesar
calatoriei undei in corp si intoarcerii ei dupa ce este
reflectata de suprafata tesutului
• detectia ecoului (echo) localizeaza tesutul
APIM12 - 6
Ecuatia undei (1)
• unda se propaga prin tesut -> energia si momentul ei se transfera tesutului ->presiunea locala creste -> oscilatiile particulelor dau nastere variatiilor armonice ale presiunii in mediul respectiv -> o unda de presiune care se propaga prin mediu pe masura ce particulele vecine se misca una in raport cu cealalta
• Miscarea particulelor in raport cu directia undei:
– in directie paralela (unda longitudinala)
– pe directie perpendiculara (unda transversala)
APIM12 - 7
Ecuatia undei (2)
directia de deplasare
deplasarea
particulelor
distributia
particulelor
APIM12 - 8
Ecuatia undei (3)
un volum mic
in echilibru
(fluid
nevascos)
miscarea
oscilatorie
cand se aplica
forta F
3
APIM12 - 9
Ecuatia undei (4) • Gradientul de forta:
• Legea lui Hooke:
unde: K – coeficientul adiabatic
-> Ecuatia undei:
unde:
este viteza sunetului in mediul respectiv
APIM12 - 10
Ecuatia undei (5) • Solutia ecuatiei undei:
u = u(ct-z)
• O functie adecvata este:
u(t,z) = u0 exp[jk(ct-z)]
unde:
k =2/λ este numarul de unda
APIM12 - 11
Impedanta acustica si putere (1) • Unda de presiune rezultata:
p(t,z) = p0 exp[jk(ct-z)]
• Relatia dintre viteza particulei si unda de presiune rezultata:
u = p/Z
unde Z este impedanta acustica (rayl) a mediului,
Z = ρc
- ρ este densitatea masica (kg/m3)
- c este viteza sunetului in mediul respectiv (m/s)
APIM12 - 12
Impedanta acustica si putere (2)
• Intensitatea undei acustice (fluxul de energie mediu prin unitatea de arie perpendicular pe directia de propagare a undei):
I = p02/2Z
- se masoara in mW/cm2
4
APIM12 - 13
Reflexia si refractia undei (1)
APIM12 - 14
Reflexia si refractia undei (2) • coeficientul de reflexie al undei:
• coeficientul de transmisie (refractie) al undei:
• legea lui Snell:
unde c= λ f
APIM12 - 15
Reflexia si refractia undei (3) • suprafata dintre tesuturi = diferenta de proprietati acustice
-> diferenta de impedanta (impedance mismatch)
• suprafata tesut adipos-aer reflecta pana la 99, 94 % undele
-> plamanii reflecta undele
• suprafata muschi-os reflecta 49,25% -> apare conul de
umbra pentru ceea ce este dincolo de os
• coeficientul de reflexie este mic (0-10%) daca
impedantele sunt apropiate -> dificil de diferentiat
tesuturile moi
APIM12 - 16
Difuzia (imprastierea) undei (1) • in general suprafata de separare dintre tesuturi nu e plana
• tesuturile sunt celule si grupuri de celule cu o forma
complexa a suprafetei
• grupurile de celule = difuzori (scatterers)
• undele difuzate inapoi spre traductor -> imaginea
• aceste ecouri sunt coerente -> pot fi o semnatura a
tesuturilor
5
APIM12 - 17
Difuzia (imprastierea) undei (2) • Exemplu – prostata canina
- interferente constructive si distructive a semnalelor
difuzate (imprastiate) de structuri mai mici decat
lungimea de unda -> speckle (aspect granular)
dupa Elisa E. Konofagou, harvard Medical School)
APIM12 - 18
Difuzia (imprastierea) undei (3)
• amplitudinea speckle are o distributie Gaussiana cu o
anumita valoare medie si varianta
• raportul semnal-zgomot al US este limitat la 1.91
• semnalul speckle nu e aleator el este coerent si isi
pastreaza caracteristicile cand este deplasat -> permite
determinarea fluxului sangvin, a elasticitatii, etc. (speckle
tracking)
APIM12 - 19
Atenuarea undei (1)
Propagarea undei intr-un mediu->
pierdere de energie datorata:
-divergentei frontului de unda
-reflexiei
-difuziei (scattering) din cauza
neregularitatilor
-absorbtia energiei undei
APIM12 - 20
Atenuarea undei (2)
• absobtia energiei undei – cel mai puternic factor de
atenuare in tesuturile moi (altele decat plamanii)
• absorbtia -> incalzire
• cauzele sunt inca necunoscute
• dependenta dintre scaderea aplitudinii undei de presiune
in raport cu viscozitatea tesutului
6
APIM12 - 21
Atenuarea undei (3)
• pentru a depasi rezistenta opusa de vascozitatea fluidului
(η) trebuie aplicata o forta (presiune) suplimentara:
• ecuatia undei:
unde ξ este coeficientul dinamic de vascozitate compresiva
APIM12 - 22
Atenuarea undei (4)
• solutia este:
unde α este coeficientul de atenuare:
APIM12 - 23
Atenuarea undei (5)
• Intensitatea undei va scadea mult mai repede;
• Intensitatea medie este:
APIM12 - 24
Atenuarea undei (6) • atenuare -> modificarea frecventei undei -> frecvente mai
mici
• coeficientul de atenuare:
unde β0 si β1 sunt coeficientii de atenuare independent si
respectiv dependent de frecventa
• frecventa:
7
APIM12 - 25
Valori de atenuare
APIM12 - 26
Impedante si valori de atenuare
APIM12 - 27
Diagrama schematica a unui fascicul clinic
(Wolbarst, 1993)
• un puls de 1 μs la 5 MHz contine 5 cicluri de unda
• timpul de repetitie de 1 ms (frecventa de repetitie de 1000 Hz),
viteza in tesutul moale ~ 1540 m/s si in aer 330 m/s
APIM12 - 28
Traductoare (1)
• US sunt generate de un traductor ultrasonic - cristal
piezoelectric (titanato-zirconat de plumb (PZT),
cuart, titanat de bariu) intre doi electrozi
• cristal piezoelectric - polarizare electrica sub
actiunea deformatiei mecanice (efect direct) si
respectiv deformare sub actiunea campului el. (efect
invers)
• piezo (in lb. greaca) = a apasa (a presa)
8
APIM12 - 29
Traductoare (2) • un semnal sinusoidal mic este aplicat cristalului
piezoelectric -> rezonanta -> unde acustice
• cristalul detecteaza undele sonore (reflectate) si
produce un semnal electric variabil
APIM12 - 30
Traductoare (3)
• frecventa de rezonanta este
f0 = c/(2*l) unde: - c este viteza sunetului in cristal
- l este grosimea cristalului
• pentru titano-zirconatul de plumb c= 4000 m/s
• pt. o frecventa de 5MHz -> l = 0.4 mm
• λrez = c/f = 2*l -> λrez = 0.8 mm
APIM12 - 31
Traductoare (4)
• diferenta de impedanta dintre cristal si piele -> un strat
de adaptare a impedantelor (matching layer) care sa
minimizeze diferenta de impedanta si sa maximizeze
coeficientul de transmisie (T)
• impedanta stratului de adaptare:
• grosimea acestui strat este dm = λ/4
APIM12 - 32
Traductoare (5) • stratul din spatele cristalului (backing layer) -> sa creasca
largimea de banda si energia
• daca ar fi aer -> o banda ingusta si o durata mare
• rezolutia axiala a traductorului depinde de durata semnalului
(de lungimea impulsului) transmis -> diferite straturi in functie
de aplicatie
• aer - > utilizata in aplicatii cu unda continua si terapie cu US
• strat greu -> rezolutii mari , imagini cu o rezolutie mare, dar
penetrare mica si sensitivitate scazuta
9
APIM12 - 33
Traductoare (6)
set liniar de traductoare set curb de traductoare (traductor mai mic decat aria de scanare)
APIM12 - 34
Focalizare si directionare
formare focalizare focalizare si directionare
APIM12 - 35
Rezolutia (1)
• Rezolutie axiala –capacitatea de a diferentia doua structuri
similare in lungul axei de propagare – rezolutie mare ->
frecventa mare (penetratie mica)
unde Q este factorul de calitate al traductorului
• cand impulsul e scurt ecourile succesive reflectate de scatters
pot fi distinse; daca pulsul e lung (continuu) cele doua ecouri
se contopesc
APIM12 - 36
Rezolutia (2)
• Rezolutie laterala –distingerea a doua structuri vecine
localizate pe axa parpendiculara pe directia de
propagare – depinde de lentile (care directioneaza
undele care intra sub un anumit unghi) si de lungimea
de unda
• Rezolutie de contrast – diferentia caracteristic doua
tesuturi apropiate
• Rezolutia temporala
10
APIM12 - 37
Moduri de achizitii
• A-mode – afiseaza semnalul primit de la tesut
• B-mode – afiseaza semnalele sub forma de imagine
• M-mode – un alt mod e a afisa semnalul in functie
de timp, este selectat doar raspunsul de la o structura
de tesut particulara
APIM12 - 38
Diagrama bloc
APIM12 - 39
Moduri de achizitie
APIM12 - 40
Efectul Doppler (1)
11
APIM12 - 41
Efectul Doppler (2)
• Variatia frecventei
APIM12 - 42
Imagine duplex Doppler color
APIM12 - 43
Elastografie • Exista diferente semnificative intre proprietatile mecanice ale
diferitelor tesuturi
• Informatiile continute in scattering si speckle sunt suficiente
pentru a le reliefa
APIM12 - 44
Elastografie • In tesutul mai dur echoul va fi mai putin distorsionat decat in rest
12
APIM12 - 45
Elastografie
APIM12 - 46
Elastografie
APIM12 - 47
Imagini 3D • Trei metode de obtinere
APIM12 - 48
Imagini 3D • Bifurcatie artera carotida – Color Doppler Energy
13
APIM12 - 49
Imagini 3D Bifurcatie artera carotida IVUS