Principios Físicos del Ultrasonido

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1 Principios Físicos del Ultrasonido
13 marzo 2017

2 Agenda Introducción Características de las ondas
Generalidades del ultrasonido Componentes básicos Transductores Generalidades Diseño Tipos Usos

3 Qué es el ultrasonido para uso médico?
Detección y display de ondas acústicas reflejadas en el cuerpo. Método utilizado desde los años 40’s.

4 Ventajas Seguro Se observa en tiempo real Bajo costo Portátil

5 Desventajas Depende del operador
No se pueden visualizar tejidos como hueso, o llenos de gas

6 Cómo se forman las imágenes?
Ondas de sonido se transmiten en el cuerpo. Los tejidos reflejan el “eco”. Se reciben y procesan esos ecos reflejados. Se forma la imagen de acuerdo a la intensidad y duración de los ecos.

7 Similar a los sitemas de los barcos para detección y escaneo submarino.

8 Qué genera el sonido? El sonido es el resultado de energía mecánica moviéndose en un medio en forma de una onda. Las ondas de sonido son transmitidas como una serie de pulsos que alternan entre alta y baja presión.

9 2O MHz Imagenología Diagnóstica 1 MHz Ultrasonido 2O kHz Sonido detectable por el humano 2O Hz Infrasonido O Hz

10 Características de las ondas

11 Propagación Son ondas longitudinales y se propagan en la dirección del movimiento de las partículas. Velocidad de propagación = c c = fλ Longitud de onda Frecuencia

12 Propagación La propagación depende de la resistencia del medio (depende de la densidad y elasticidad) Mayor densidad -> Mayor velocidad

13 Velocidad de propagación en distintos tejidos

14 Velocidad de propagación
En el cuerpo humano asumimos un promedio de 1540 m/s

15 Reflexión En el ultrasonido diagnóstico se depende de la detección y display de las ondas de sonidos (ecos) reflejados desde las interfaces entre distintos tejidos en el cuerpo. Cuánta onda será reflejada depende la diferencia en las impedancias acústicas entre los medios. Z = ρc Entre mayor sea la diferencia de impedancia, mayor cantidad de la onda será reflejada. Densidad del medio

16 Reflexión Onda incidente Onda transmitida Onda reflejada

17 Tipos de reflexiones Reflexión especular: gran diferencia de impedancias, por lo que se produce una gran reflección y se reduce la amplitud de la onda transmitida. Relfexión media: occure en tejidos densos (músculo). Relexión difusa: Ocurre en tejido suave (hígado).

18 Reflexión especular Reflexión difusa Una dirección Muchas direcciones Baja amplitud

19 Reflexión especular Reflexión difusa

20 Cómo se calcula la distancia del objeto?
0.145 ms 0 ms 1540 m/s x ms =154,000 cm/s x s =22.33 cm D = cm / 2 D = cm D ms

21 Refracción Cuando una onda de ultrasonido encuentra una interface especular en un ángulo oblicuo, esta es refractada. La parte de la onda que no es reflejada continúa al segundo medio, pero con un cambio de dirección. θ1 θ2

22 Refracción En el cuerpo humano no hay refracción
Depende de la velocidad de propagación en los dos medios. Si v1 = v2 No hay refracción La onda sigue en la misma dirección en el segundo medio En el cuerpo humano no hay refracción

23 Absorción La energía de la onda ultrasónica se reduce gradualmente durante su paso por el medio Esta disipación de energía se debe principamente a pérdidas por calor.

24 Atenuación Pérdida de intensidad del sonido durante la propagación.
Causado principalmente por la reflexión, refracción y absorción. La intensidad se pierde en forma de calor absorbido por los tejidos, o por la dispersión de la onda. Los tejidos absorben aprox. 1 db / cm / MHz

25 Atenuación

26 Dispersión Ocurre cuando pequeñas partículas absorben parte de la energía de la onda ultrasónica y la irradian en todas direcciones en un campo esférico.

27 Dispersión Permite que haya reflexión de objetos más pequeños que la longitud de onda. Objetos con superficie irregular reflejan la onda como dispersión. Útil pues el transductor se puede poner en cualquier ángulo y de igual manera recibir ecos reflejados de tejidos. Se reciben ecos reflejados aunque el transductor no esté perpendicular a la superficie reflectante.

28 Generalidades del Ultrasonido

29 Datos generales Ultrasonido -> ondas de sonido con frecuencias mayores a 20,000 Hz. Las ondas de US tienen una longitud de onda (λ) más corta que las ondas de sonido acústico La distancia entre las ondas es corta Las ondas de US se reflejan mucho más fácilmente que las ondas de sonido acústico. Debido a la menor longitud de onda.

30 Un ejemplo Los murciélagos utilizan ondas ultrasónicas para desplazarse. Emiten ultrasonidos y escuchan ecos reflejados.

31 Cómo se forma la imagen? Calculando la distancia del objeto se define su ubicación con respecto a los alrededores. El voltaje generado en el transductor al recibir la señal reflejada corresponde a la intensidad de la imagen. Con esto la computadora define cuál pixel iluminar y a qué intensidad.

32 Componentes básico de un equipo de ultrasonido
Transmisor (que energiza el transductor). Transductor. Receptor. Procesador. Display. Almacenamiento / impresión.

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34 Transductor Genera la onda de ultrasonido con una frecuencia específica. Convierte energía eléctrica en vibraciones mecánicas que producen sonidos con frecuencias muy altas (ultrasonido).

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36 Cómo el transductor genera la onda?

37 Utilizando cristales piezo eléctricos.
En estos cristales se genera un potencial eléctrico entre sus lados cuando se someten a deformaciones / presiones mecánicas.

38 Cristales piezoeléctricos
Bajo condiciones normales son neutros eléctricamente Si se deforman, las cargas de desbalancean, causando una carga eléctrica => se genera un voltaje piezoelectricidad

39 Cristal en

40 Cristales piezoeléctricos
Se utilizan para convertir energía eléctrica en energía mecánica y viceversa ~ ~ Sin corriente Con corriente

41 Cristales piezoeléctricos
Al deformarles, vibran, y producen ondas de ultrasonido. Cuando la onda es reflejada, ésta choca con estos cristales, deformando su superficie, y causando un potencial eléctrico a través del cristal. Los cristales más utilizados son Titanato zirconato de plomo (PZT) Titanato de bario

42 Proceso del transductor US
Aplica un voltaje a los cristales piezoeléctricos para generar y transmitir una onda. Cambia a modo “recepción”, monitoreando el voltaje a través del cristal. El ciclo se repite.

43 Transductor Conformado por un gran número de cristales piezoeléctricos. Estos cristales están cableados a un medidor eléctrico. Una computadora procesa la información recibida de los cristales para mostrar la imagen en el monitor.

44 Diseño de los transductores
Tres partes principales Material de amortiguación Cristal Capa de adaptación 1 2 3

45 Sonda Compuesto de: Envoltura Amortiguación Cristal Adaptación/Lente

46 Diseño de los transductores
Los cristales tienen una respuesta óptima a su frecuencia de resonancia Esta frecuencia la determina el grosor del cristal y la velocidad de propagación en el medio Se ha demostrado que la respuesta óptima se da con un grosor = ½ λ(de la onda deseada)

47 Determinación de la frecuencia
Frecuencias bajas (0.5 – 2.25 MHz) permiten mayor penetración de la onda. Frecuencias altas (15 – 25 MHz) tienen menor penetración pero son más sensibles a detectar discontinuidades pequeñas. La frecuencia de la onda la va a determinar el grosor del cristal, y el material de amortiguación.

48 Qué frecuencia aplicamos?
Se utilza un rango de frecuencias, con ondas por arriba y por debajo de la frecuencia de resonancia. Ancho de banda Por lo general entre más corto es el pulso, mayor es el ancho de banda.

49 Longitud de pulso: cantidad de ciclos en un pulso

50 Diseño de los transductores
Longitud del pulso = cantidad de ciclos en un pulso. En ultrasonido diagnóstico se necesita una longitud de pulso muy corta para tener mejor resolución. Material de amortiguación = se coloca detrás del transductor para acortar la longitud del pulso. Mezcla de polvo metálico (aluminio o tungsteno) + plástico o epóxico.

51 Capa de adaptación Capa frente al cristal para maximizar la energía transferida del transductor al paciente -> aumenta la transmisión del sonido Polvo de aluminio + resina epóxica Grosor = ¼ λ Generalmente tienen una Capa protectora contra el desgaste 1 2 3 λ/2 λ/4

52 Principio de pulso - eco
Cuando el cristal el pulsado eléctricamente, cambia de forma y vibra produciendo una onda de ultrasonido proporcional al pulso, que se propaga en el tejido. Al chocar con la interface entre tejidos, los ecos reflejados chocan con el cristal haciéndolo vibrar, produciendo un voltaje eléctrico proporcional al eco.

53 Pulso - eco

54 Pulso - eco Emitir un pulso Recibir un eco
Calcular distancia e intensidad del eco reflejado

55 La onda de ultrasonido

56 Rayo de ultrasonido Los pulsos ultrasónicos generados por el transductor producen una serie de ondas que forman un rayo de ultrasonido tridimensional. Las características del rayo las definen las interferencias entre las ondas.

57 Rayo de ultrasonido Las ondas de sonido se emite de toda la superficie del transductor, por lo que no es una sola onda. Estas ondas interactúan e interfieren entre sí. Las ondas se propagan en forma de onda circular, donde interactúan entre si son áreas constructivas, donde interfieren son áreas destructivas.

58 Interacción e interferencia entre ondas

59 Interacción e interferencia entre ondas

60 Cómo se ven estas interacciones/interferencias?

61 Rayo de ultrasonido Se puede observar que la cancelación entre las ondas se da más en la zona cercana a la fuente. Al aumentar la distancia con la fuente, las interferencias son menores. Al haber mucha interferencia cerca de la fuente, a intensidad del sonido en esta zona es muy fluctuante. A esta zona se le llama el campo cercano, o zona de Fresnel (N)

62 Zona de Fresnel En esta zona hay mucha variación acústica, por lo que es difícil procesar ondas reflejadas por materiales ubicados en esta zona. Al final de la zona de Fresnel las ondas se combinan formando un rayo bastante uniforme. A esta zona se le llama campo lejano (zona de Fraunhofer).

63 Zona de Fraunhofer El rayo se dispersa en un patrón similar a si se estuviera produciendo en el centro del transductor. La detección óptima, con los mejores resultados, se da para objetos ubicados justo al final de la zona de Fresnel. D = diámtro del transductor F = frecuencia del transductor c = velocidad de propagación en el material

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67 Near / far field La mejor resolución la tengo donde termina el near field.

68 Diseño de los transductores
Para un diámetro determinado: N aumenta al aumentar la frecuencia La divergencia del rayo en el campo lejano disminuye al aumentar la frecuencia Para una frecuencia determinada: N aumenta al aumentar el diámetro La divergencia del rayo en el campo lejano disminuye al aumentar el diámetro

69 Enfoque Se logra producir un rayo que a cierta distancia es más delgado que en la cara del transductor (zona focal). En esta zona la intensidad del ultrasonido se aumenta hasta en 100 veces. La reflexión producida por los tejidos ubicados en esta zona generarán una señal mucho más fuerte en el transductor.

70 Rayo enfocado

71 Receptor Recibe los ecos reflejados y genera un voltaje en los cristales. Realiza una amplificación compensatoria de las señales muy débiles (de tejidos muy profundos)

72 Compensación

73 Compensación

74 Receptor Comprime el rango de amplitudes reflejadas al transductor a un rango que pueda ser desplegado en el monitor (rango dinámico). Al aumentar el rango dinámico se puede tener mejor diferenciación entre diferencias pequeñas en las intensidades de los ecos.

75 Rango dinámico

76 Tipos de transductores

77 Linear Produce ondas paralelas entre sí.
Produce una imagen rectangular. Tiene muy buena resolución en la zona de Fresnel. Se utiliza con frecuencias mayores a 7 MHz. Genera artefactos cuando se quiere visualizar una parte curva (por vacíos de aire entre la piel y el transductor).

78 Sectorizado Produce un abanico, más delgado cerca del transductor y aumenta al tener mayor penetración. Frecuencias entre 1 y 8 MHz. Tiene baja resolución en la zona de Fresnel.

79 Curvo Es una mezcla de linear y sectorizado.
La densidad de la línea de escaneo disminuye al aumentar la distancia del transductor. Se utilizan frecuencias entre 2 y 5 MHz.

80 Anular Serie de elementos concéntricos. Permite mejor enfoque.

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82 Selección de transductor
Usos generales -> curvo 3.5 MHz Usos obstétricos -> curvo o linear 3.5 MHz Estructuras superficiales -> linear 5 MHz Usos pediátricos o pacientes muy delgados -> 5 MHz

83 Frecuencias de US A mayor frecuencia, menor penetración
A mayor frecuencia, mejor resolución (menor longitud de onda) (c = λf) Resolución: capacidad de distinguir entre distintos tejidos (interfaces)

84 Por qué a menor λ mejor resolución?

85 Armónicas Frecuencia de resonancia fundamental: frecuencia en la cual la amplitud de la vibración del cristal es mayor. Ocurre con un grosor de cristal de ½ λ. Al aumentar el grosor del cristal en múltiplos impares de ½ λ, tendrán frecuencias mayores -> frecuencia de resonancia armónica. Entre mayor es el orden de estas armónicas, menor la amplitud de la vibración del cristal Pérdida de energía

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87 Poling / depoling Poling = polarización
Proceso de polarización del cristal, generando las propiedades piezoeléctricas Depoling = despolarización Destrucción/eliminación de las propiedades piezoeléctricas del cristal

88 Cristal en

89 Polarización Los materiales piezoeléctricos pueden ser polarizados para generar su efecto piezoeléctrico en temperaturas inferiores a su temperatura de Curie (Tc) específica. Para PZT, Tc = 390° Debajo de esa temperatura, al aplicar un campo eléctrico o una fuerza al cristal, se generará el efecto piezoeléctrico.

90 Rango de polarización El rango de campo aplicado dependerá de:
Tipo de material Duración de la aplicación del impulso Temperatura

91 Cómo se despolariza? Al eliminar el campo, con la pérdida gradual de su efecto, el cristal vuelve a sus configuraciones iniciales. Al exponerse a temperaturas mayores que Tc. Por “envejecimiento” del cristal – va perdiendo sus propiedades

92 Despolarización térmica
Es una de las más comunes. Al aumentar la temperatura los dipolos tienden a orientarse al azar, como estaban antes de ser polarizados. Se pierden las propiedades piezoeléctricas.

93 Modos de visualización de las imágenes

94 Modo A Los ecos recibidos se grafican donde el eje horizontal representa tiempo o distancia, y el eje vertical representa las interfaces acústicas encontradas. Los ecos recibidos se muestran como señales en un osciloscopio.

95 Modo A base Tiempo o distancia

96 Modo A Se muestra lo localización del tejido emitiendo un eco sólo en la dirección del rayo enviado. Actualmente no se utilizan en los sitemas modernos.

97 Modo B Display bi-dimensional de los ecos recibidos.
Múltiples pulsos son enviados de forma sucesiva para escanear el área mejor, y poder construir una imagen 2D de todos los ecos de esa zona. Las zonas de ecos de mayor intensidad se muestran blancas, donde no se recibió eco se muestra negro, y los ecos de intensidad intermedia se muestran en una escala de grises.

98 Modo B

99 Modo M La M viene de movimiento.
Se utiliza para analizar el movimiento de las estructuras anatómicas. Se realiza mediante una secuencia de escaneos modo B. Se visualiza como estructuras moviéndose en una sola línea.

100 Modo M Se usan frecuencias de muestreo altas (1000 pulsos por segundo), que permiten ver el movimiento casi en tiempo real. Muy utilizado para imágenes cardiacas, tanto fetales como en niños y adultos.

101 Modo M

102 Artefactos (desviaciones) en las imágenes

103 Imagen espejo Se genera una relfexión grande en cierto ángulo con el transductor. Las estructuras que se encuentran en frente y a un lado parecen como que estuvieran detrás de él.

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105 Replicación Se le conoce también como near-field artifact.
Cuando muchas señales son reflejadas repetidamente entre interfaces muy reflectivas, generalmente cerca del transductor. Se puede reducir modificando la posición del transductor.

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107 Cola de cometa Similar a las replicaciones pero en estructuras muy pequeñas, con bordes muy reflectivos (por ejemplo si hay fragmentos de metal). Se observan pequeñas réplicas dentro de la estructura, que van disminuyendo de tamaño, pareciendo colas.

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109 Artefactos por refracción
Si se da refracción se “pierden” estructuras o se degrada la calidad de la imagen. Entre más pronunciado sea el ángulo de refracción, más pérdida tendremos.

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112 Sombras acústicas Reducción en la intensidad del ultrasonido.
Se deben a pérdidas de información por mal filtrado de la imagen, baja resolución o mal seleccionado el ángulo de escaneo.

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114 Salpicadura Apariencia granular.
Causada por interferencia aleatoria de las ondas. Mayor en la zona de Fresnel.

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117 Ultrasonido en 3 dimensiones
Se toman varias imágenes en 2 dimensiones moviendo el transductor en el área de interés. Estas imágenes son combinadas en la computadora del equipo para formar una imagen en 3 dimensiones. Varias imágenes de cortes/planos/rebanadas de la zona se suman y promedian para obtener la imagen en 3D.

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119 Modo Doppler MODO DOPPLER: utiliza el efecto Doppler.
EFECTO DOPPLER: fenómeno en el cual el observador percibe un cambio en la frecuencia del sonido emitido cuando la fuente y/o el observador se están moviendo.

120 Efecto Doppler Cuando la fuente se está moviendo a una velocidad determinada (v), que es mucho más pequeña que la velocidad del sonido en el medio (c), y forman un ángulo (θ) relativo a la dirección de propagación del sonido, el cambio observado en la frecuencia es: fd = 2vcosθ f c f=frecuencia del sonido

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122 Efecto Doppler Este principio se utiliza para medir el flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos. El ángulo Doppler, θ, es el ángulo entre la onda ultrasónica y la dirección de la velocidad de propagación. Los glóbulos rojos actúan primero como observadores y luego como fuentes al reflejar la onda de sonido al transductor.

123 Superficie de la piel

124 Modo Doppler Utilizando el efecto Doppler se puede determinar con un ultrasonido si las estructuras (generalmente sangre) se están acercando o alejando del transductor y su velocidad relativa. Determinando la variación en frecuencia (fd) de un volumen particular, se pueden calcular/observar su velocidad y dirección.

125 Glóbulos rojos acercándose al transductor
Glóbulos rojos alejándose del transductor

126 MODO DOPPLER La información es visualizada de dos posibles maneras:
Gráficamente usando el espectro Doppler Como una imagen utilizando el Doppler a color La variación de frecuencia del Doppler está en el rango auricular, por lo que también podemos oírlo como un sonido pulsado.

127 Espectro Doppler El eje vertical denota la frecuencia Doppler o velocidad El eje horizontal denota tiempo La escala de grises denota la intensidad de la señal Doppler a esa frecuencia o velocidad

128 Doppler a color Estos sistemas son escaners dobles que pueden mostrar información tomada del modo B y del Doppler. La información del Doppler es mostrada a color. Generalmente el color rojo representa flujo hacia el transductor y el color azul flujo alejándose del transductor. La magnitud de la velocidad se denota con los tonos del color. Entre más claro sea el color, mayor la velocidad.

129 Doppler a color La señal que recibe el transductor se divide en tres:
Una parte para reconstruir la imagen del ultrasonido modo B. Una parte para calcular la información de flujo desde los datos del Doppler. Otra parte para las mediciones normales del Doppler (para calcular frecuencia y variación).

130 DOPPLER A COLOR