IMÁGENES MÉDICAS: ADQUISICIÓN, INSTRUMENTACIÓN Y GESTIÓN asignatura para estudiantes del IIE, INCO, posgrados UR y actualización FIng Núcleo de Ingeniería Biomédica Ultrasonografía en medicina F. Simini 17 de junio 2010

Plan de la clase Orígenes L. da Vinci, SONAR Propagación de ondas sonoras Reflexión de o.s Retardo del eco Atenuación de o.s. Modos A, B y M Doppler pulsado y Doppler dúplex Reconstrucciones en 3D

Orígenes 1era mención L da Vinci: tubo en el mar para escuchar el sonido reflejado por el fondo del mar anunciando la llegada de barcos (1490) Detección de submarinos a raíz del desastre del Titanic (1912) en la 1era guerra y 2da SONAR palabra símil RADAR en 2da guerra

Nombres de planos x, y, z Sagital “formado por el arco y flecha” (también “mediano”) plano y – z Coronal “contiene corona de rey” x – z Transverso (horizontal) “verter líquidos” o “que pasa de un lado al otro” x - y

Principio del “SONAR” o grafía del eco Tren de pulsos: onda incidente y refleja Retardo => distancia Figura tomada de Wikipedia

Propagación del sonido Por deformación elástica de la materia Analizado como un cuerpo que resiste Desplazamiento de energía Disipación (atenuación) Propiedades símiles al EM y a la óptica

Ecuación básica de la propagación del sonido Desplazamiento s(t) de una partícula al ser atravesada por una onda acústica Velocidad de la o.s. v(t) = ds/dt Densidad instantánea ro(t) Presión instantánea p(t) Un cambio de presión en el espacio existe sólo si hay derivada segunda de presión con respecto al tiempo, o sea una “aceleración” d/dt2 Desarrollo matemático de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Ondas planas y esféricas En agua la propagación tiene componentes transversales pequeños => Ondas planas Expansión y compresión o fuerzas internas Onda plana x,t Onda esférica r,t ct indica dónde se encuentra la onda t tiempo después, para onda F y refleja G

Reflexión Propagación es similar a transmisión de señales eléctricas Línea debe tener impedancia característica para evitar ondas reflejas

Cambio de impedancia acústica En ondas planas v y p están en fase y su relación es ro la densidad acústica Impedancia acústica Z = ro . c

Cambio de impedancia acústica Onda por Z1 encuentra impedancia Z2 Una parte es reflejada y otra transmitida Coeficiente reflexión R = (Z2 - Z1)/((Z2 + Z1) Coeficiente transmisión T = 2 Z2 )/((Z2 + Z1) R2 y T2 para intensidades

Captura de la información de cambios de impedancia acústica El equipo de ecografía envía onda ultrasonora Espera razonada (frec, órgano, tipo paciente, etc.) Recepción del “eco” Presentación del eco según su energía => ecografía modo A

Tiempo velocidad profundidad

Velocidad del sonido Excepto gases y hueso, se asume la misma velocidad en todos los tejidos, la del agua Tomado de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Conversión tiempo / profundidad Es la base de la ultrasonografía Hay un tiempo “muerto” de espera que el pulso vaya, rebote y vuelva Se toma 1485 m/s (velocidad en agua y tejidos blandos) como cte, pero … Problemas con aire y hueso

Ecografía modo A Figura de Webster, Medical Instrumentation, Wiley, 1998

Atenuación a 1 MHz Tipo tejido c, m/s HVL, cm Aire 331 1.1 Hueso 3360 0.2 Músc. 1568 2.5 Grasa 1476 3.8 Agua 1496 4100 HVL “half value layer” espesor que atenúa la señal a la mitad (no la potencia)

Ecografía modo B Sustituir la gráfica de intensidad de eco por una recta con amplitud de puntos proporcional a la energía recibida en cada instante (profundidad) Cada línea es una “sonda” hacia el sólido a explorar Juntando líneas (moviendo fuente/receptor) se obtiene una imagen o corte

Ejemplo de ecografía modo B Cada radio constituido por puntos de diferente intensidad “blanca” es una eco modo B, juntados en una imagen “sectorial” Negro = agua (sin ecos) Figura de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Ecografía modo M Modo M (movimiento) muestra una misma estructura a lo largo del tiempo Abscisas representan el tiempo Ordenadas son una eco modo B La eco modo M representa una única sonda (por ejemplo que atraviesa una arteria para ver el comportamiento de sus paredes al latir el corazón)

Modo M a) ecografia modo B de arteria carótida b) modo M de la “sonda” blanca marcada en a) en función del tiempo. Paredes de la arteria en función del t (7 latidos cardíacos) Figura de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Transductores Modo A uno solo Modo B Geometría adaptada a zona El mismo que se mueve para barrer Array de transductores activados en secuencia Geometría adaptada a zona “Geometría” por secuencia de activación

Transductores Transductor movido por motor Array de transductores Figura de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Transductores Array curvilineo que “amplifica” “Array de fase” crea geometrias diferentes Figura de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Características “ópticas” generadas electrónicamente por array de fase de transd. Figura de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Doppler Doppler pulsado En una zona seleccionada por el usuario Representación del cambio de frecuencia por efecto Doppler “debanding” que elimina la portadora Representa la “delta f” Proporcional a v velocidad de partículas de sangre encontradas que reflejan

Array de transductores apunta un vaso Figura de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Doppler pulsado

Imágenes Doppler Dúplex Doppler Región de interés En ella cálculo de v velocidad v(x,y) Representación en esa área de v(x,y) Codificación con colores: Rojo = entrante Azul = saliente

Dúplex Doppler Imagen modo B Superimpuesta área de interés Flujo codificado rojo=entrante azul=saliente Intensidad proporcional a |v|

Imágenes 3D Cortes ortogonales reconstrucción

Imágenes 3D

Terry J. DuBose, M.S. - Wikipedia Cortes Terry J. DuBose, M.S. - Wikipedia

Parametros típicos de potencia y f F MHz área cm2 mW W/cm2 pulso, us Modo B 1 a 20 1 a 30 50 1.8 0.2 a 1 Doppler Pulsado 1 a 20 1 150 15 0.3 a 10

Seguridad de US No hay evidencia de daño Cuanto menos mejor

Límites de potencia para ecógrafos MI mechanical index = presión / raiz(f) SPPA spatial peak pulse averaged SPPA spatial peak total averaged FDA descrito en KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Transductor piezoeléctrico Figura de KRIPFGANS, US imaging, ENCYCLOPEDIA OF MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION, Webster

Ventajas de la ultrasonografía Equipamiento de bajo costo Imagen en tiempo real No involucra radiaciones ionizantes Amplias perspectivas de mejora usando parámetros diferentes a la reflexión Diferencia tejidos no diferenciados por rayos X por ejemplo, como músculo Diferencia bien entre SOLIDO y LIQUIDO

Debilidades de la ultrasonografía No pasa hueso (eco transfontanela) Gases en trayecto atenúan el haz Penetración limitada en masas grandes Depende de la destreza del operador Frecuencia diferente para cada aplicación