8/17/2019 Imagistica US
1/38
IMAGISTICA CU ULTRASUNETE
8/17/2019 Imagistica US
2/38
I. Bazele fizice ale ultrasunetelor
Ultrasunete - unde elastice, a caror frecventa este superioarafrecventei limita superioare de perceptie a urechii umane (16Hz – 16 kHz).
ν>16 kHz ⇒ unde ultrasonore (unde US)
Limita superioara a frecventei undelor ultrasonore (1010 Hz)corespunde frecventei oscilatiilor termice ale moleculelor incorpurile solide.
8/17/2019 Imagistica US
3/38
Un fenomen oscilatoriu, care se propagă la distanță:propagarea unei oscilatii
Fenomen dublu periodic (în timp și spațiu):
y - elongatie - distanta momentana față de pozitia de echilibru
A - amplitudine - deplasarea maximă față de pozitia de echilibru
T - perioada - timpul in care se executa o oscilatie completax – distanța parcursă de undă în timpul t
λ - lungimea de unda – spațiul parcurs de unda in timp de o perioada
Ce este o undă?
8/17/2019 Imagistica US
4/38
8/17/2019 Imagistica US
5/38
Viteza de propagare u este dată de relația de mai jos, în careintră modulul de elasticitate, E și densitatea mediului .
ρ
Eu =
⇒ viteza US este cu atât mai mare cu
cât mediul este mai puţin deformabil şi
densitatea lui este mai mică.
În ţesuturile biologice viteză medie de aprox. 1,56 x 103 m/s.
3 Dacă deplasarea particulelor se face perpendicular pedirecţia de propagare ⇒ unde transversale - se pot propaga în
medii solide nelimitate sau în lichide foarte vâscoase.
http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html
8/17/2019 Imagistica US
6/38
Viteza ultrasunetelor în diverse medii
8/17/2019 Imagistica US
7/38
În diagnosticul ultrasonic, un rol foarte important îl arealegerea corectă a sursei de US.
Astfel, ultrasunetele de frecvenţă mare favorizează exactitateainvestigaţiei, însă odată cu creşterea frecvenţei creşte şi
atenuarea ultrasunetelor în ţesuturi, reducându-se astfeladâncimea de pătrundere.
8/17/2019 Imagistica US
8/38
Mărimi acustice
Propagarea undelor ultraacustice. Presiunea acustică
Regiunea mediului elastic în care au loc vibraţiile punctelormateriale se numeşte câmp acustic. Sediul undelor US estecâmpul ultrasonic. O caracteristică a propagării undelor este
suprafață de undă. Acesta se defineşte ca locul geometric alpunctelor din câmpul acustic care, la un moment dat, oscilează în fază. Prima suprafață de undă se numește front de undă.
Dacă sursa de unde este punctiformă, suprafețele de undă sunt
sferice, având ca centru sursa de oscilaţie. Când suprafețele deundă sunt plane perpendicular pe direcţia de propagare,undele se numesc plane.
http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/EvanescentWaves/Eva
nescentWaves.html
8/17/2019 Imagistica US
9/38
La o anumită depărtare de o sursă punctiformă, undele US pot fiaproximate ca fiind plane. Acestea sunt undele care se folosesc
cel mai adesea în aplicaţiile practice.Perturbaţia care se propagă – compresiuni şi rarefieri → variaţiea presiunii în timp şi spaţiu.
Presiunea acustică reprezintă mici variații în timp, suprapusepeste presiunea atmosferică medie, iar în cazul propagăriiultrasunetelor în lichide – în jurul valorii presiunii hidrostatice,
Dacă în domeniul audibil presiunea acustică corespunzătoare
celor mai intense sunete abia atinge o fracţiune din presiuneaatmosferică, în cazul US, prin folosirea unor sisteme defocalizare, presiunea acustică poate depăşi chiar de zeci de oripresiunea atmosferică.
8/17/2019 Imagistica US
10/38
Presiunea acustică variază în timp şi spaţiu, fiind valabilă o
ecuaţie diferenţială identică cu ecuaţia diferenţială a undeiplane:
2
22
2
2
y
u
ut
p
∂
∂
=∂
∂
8/17/2019 Imagistica US
11/38
Intensitatea undelor acustice
Intensitatea acustică reprezintă fluxul de undă acustică carestrăbate unitatea de suprafaţa perpendiculară pe direcţia depropagare a undelor.
Pentru un fascicul ultrasonic plan cu secţiunea transversală S,cunocând puterea emiţătorului acustic, putem determinavaloarea intensităţii ultrasunetului din relaţia:
=2m
W
S
PI
Sau, dacă se cunoaşte valoarea presiunii acustice, poate fifolosită formula:
u2
pI
2m
ρ=
8/17/2019 Imagistica US
12/38
Impedanţa acustică
Impedanţa acustică specifică reprezintă raportul dintrepresiunea acustică şi viteza de propagare a undei într-un mediu.
u
pZ =
În general, aceasta este o mărime complexă, deoarece presiuneaacustică nu este în fază cu viteza particulei care oscilează.
În cazul particular al undelor care se propagă într-un mediu nelimitat,fără pierderi de energie, impedanţa acustică devine o mărime reală şipoate fi calculată cu relaţia:
ρ=ρ= EuZ
ρ - densitatea mediului, E – modulul lui Young → impedanţăcaracteristică a mediului.
ryal;
m
Ns;scm
g32
8/17/2019 Imagistica US
13/38
ATENUAREA UNDELOR ULTRAACUSTICE
-reflexie
-refracţie
- împrăştiere
-difracţie
-interferenţă
8/17/2019 Imagistica US
14/38
Reflexia şi refracţia undelor ultraacustice plane
i, r, t – incident, reflectat, transmis
p – presiune acustică
ρ - densitate, u – viteză de propagare
Fiecare mediu este caracterizat de un
factor propriu de reflexie acustică:
1122
1122
i
r
uu
uu
p
pR
ρ+ρ
ρ−ρ==
8/17/2019 Imagistica US
15/38
Analog definim şi factorul de transmisie acustică:
1122
22
i
t
uu
u2
p
pT
ρ+ρ
ρ==
Coeficientul de reflexie acustică:
2
1122
1122
i
r
uu
uu
I
Ir
ρ+ρρ−ρ
==
Coeficientul de transmisie acustică:
( )21122
2121
i
t
uu
uu4
I
I
ρ+ρ
ρρ==τ
r 1−=τDacă mediile în contact au impedanţe egale: 2211 uu ρ=ρ
⇒=τ=⇒ 1;0r NU se produce reflexia undei!
8/17/2019 Imagistica US
16/38
Interferenţa undelor ultraacustice
Este fenomenul de suprapunere a efectelor produse dedouă unde de aceeași frecvență.
http://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutori
al_files/Web-inter-interferences.htm
Efectul permite determinarea caracteristicilor celor douăsurse ale mediului în care se produce, precum lungimeade undă, localizarea acestora în spațiu etc.
http://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htmhttp://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htmhttp://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htmhttp://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-inter-interferences.htm
8/17/2019 Imagistica US
17/38
Difracția undelor ultraacustice
Difracție acustică – fenomenul de ocolire a unui obstacol de cătreunda US.
Conform principiului Huygens-Fresnel, difracția undelor US asigurăpropagarea acestora și în spatele unor obstacole.
https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4
Cu cât dimensiunea obstacolului este mai apropiată de λ a US,fenomenul de difracție este mai accentuat; o mare parte din
energia acustică se difractă contribuind astfel la atenuareaecoului.
https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4https://www.youtube.com/watch?v=BH0NfVUTWG4
8/17/2019 Imagistica US
18/38
Difuzia undelor US
Apare atunci când particulele mediului prin care se
propagă fasciculul ultrasonor absorb o parte din energiaultraacustică, pe care apoi o reemit în toate direcțiilesub forma unor unde sferice.
Utilizarea US in diagnosticul medical se bazează pe
recepționarea ecourilor reflectate de către țesuturile întâlnite în cale. Multe interfețe biologice au suprafețeneregulate, care produc reflexii și/sau difuzie, astfel căse vor recepționa mai multe ecouri atunci când unda US
nu cade perpendicular pe suprafață.
8/17/2019 Imagistica US
19/38
Atenuarea undelor
Este fenomenul prin care o parte din energia undelor se diminuează pe
durata propagării, prin transformare în alte forme de energie (cel mai adesea
– căldură).
În general, undele US suferă o atenuare mai mare în gaze decât în lichide și
mai mare în lichide decât în solide.
În practică se folosește noțiunea de adâncime de pătrundere de 50%, care
corespunde numărului de centimentri parcurși de unda cu o frecvență
determinată, printr-un mediu dat, pentru ca valoarea intensității acustice săscadă la jumătate.
8/17/2019 Imagistica US
20/38
Nr. Țesut Coeficient deabsorbție
Adâncimea de absorbție 50%(cm)
La 1MHz La 2,25 MHz
1 Plasmă 0,007 100 44,4
2 Sânge 0,02 35 15,53 Țesut adipos 0,2 3,5 1,6
4 Mușchi 0,15 4,7 2,0
5 Craniu 1,5 0,54 0,22
6 Creier 0,17 4,5 2,0
8/17/2019 Imagistica US
21/38
8/17/2019 Imagistica US
22/38
CONCLUZIE: Atenuarea energiei acustice
La propagarea undei US într-un mediu elastic are loc o atenuare a acesteia. În cazul undelor longitudinale plane atenuarea provine din:
a) Împrăștiere prin reflexie și difuzie
b) Absorbție în mediul elastic sub formă de energie termică
Legea de atenuare Lambert-Beer): x2
0eII
α−
=
I0 - intensitatea acustică pentru x=0
α- coeficientul de atenuare specific mediului dat (m-1)
x – distanța parcursă de undă
8/17/2019 Imagistica US
23/38
Producerea US
- sursă acustică care transferă mediului înconjurător energie înmod periodic
Emiţătoare ultrasonice:
- emiţătoare mecanice, la care energia folosităpentru producerea vibraţiilor este energiamecanică;- emiţătoare electroacustice, la care energiafolosită este energia electrică.
8/17/2019 Imagistica US
24/38
Traductoare electromecanice: - piezoelectrice
- magnetostrictive- electromagnetice.
Diagnostic - US cu frecventa mari (MHz) - emitatoare cucristal piezoelectric.
efectul piezoelectric - apariţia polarizării electrice a unormateriale cristaline atunci când sunt supuse unor solicitărimecanice. Polarizarea îşi schimbă sensul odată cuschimbarea sensului solicitării.
efectul invers: un cristal supus acţiunii unei câmp electricexterior este deformat. Deformările îşi schimbă sensul înmomentul în care sensul câmpului electric este inversat.
8/17/2019 Imagistica US
25/38
⇒ prin inversarea periodică a câmpului electric, deci prinaplicarea unei tensiuni alternative, cristalul respectiv
vibrează emiţând unde acustice în mediul înconjurător.
Materiale pentru emiţătoare ultrasonore:
- cristale de cuarţ- sarea Rochelle (tartrat dublu de sodiu şi potasiu)
- ceramice - titanat de bariu (BaTiO3);
8/17/2019 Imagistica US
26/38
Pentru a emite unde US, traductorul cu cristal de cuarț este o placă
astfel tăiate dintr-un monocristal, astfel încât fețele emițătoare de
energie ultrasonică să fie perpendiculare pe una din axele
piezoelectrice ale cristalului (așa numita tăietură X).
Aplicând o tensiune electrică pe fețele opuse, perpendiculare pe axa
X, placa de cuarț se va comprima/dilata succesiv cu frecvența
tensiunii alternative aplicate.
Amplitudinea deformației plăcii depinde de frecvența tensiuniielectrice și devine maximă (rezonanță) când există o anumită relație
între viteza de propagare (u) a undelor US în mediul cristalin și
grosimea cristalului (d). Frecvența de rezonanță este:
( )ρ
== xx0
E
d 2
1
d 2
uf
8/17/2019 Imagistica US
27/38
( ) ]Hz[d
285000f m/ N106,8E;m/kg1065,2
x0
210
x
33 =⇒⋅=⋅=ρ
Traductoare cu frecvența de rezonanța cât mai mare → plăci de cuarț cugrosimi cât mai mici.
Ex.: pentru a genera unde cu frecvența de 20 MHz, placa trebuie să aibă ogrosime de 0,14mm.
DAR, o astfel de placă se deteriorează prin străpungere dielectrică chiar și în condiții te tensiune aplicată RELATIV REDUSĂ.
Din acest motiv, este necesar să se utilizeze armonicele superioare pe carepoate vibra placa de cuarț. Astfel, cu ajutorul unei plăci de cuarț vibrând pe
cea de-a 19-a armonică, se pot obține US cu frecvența de aprox. 55 MHz.
8/17/2019 Imagistica US
28/38
Emitatoaredeultrasunete
continue
pulsatorii
Emiţătoarele continue permit investigarea mediilor cu
impedanţe acustice diferite sau în cazul organelor aflate înmişcare (efect Doppler)
Aparatura de emisie continuă - două cristale: unul cu rol de
emiţător şi celălalt − de receptor al ecourilor.
8/17/2019 Imagistica US
29/38
Emisia pulsatorie - cristalul piezoelectric este alimentat cuimpulsuri electrice de durată foarte scurtă (circa 1−2µ s),repetitive, cu frecvența de repetiție de circa 1 kHz.
US de mare intensitate → tratamente medicale.
concentratoare de energie ultraacustică → suprafață de
unde ultrasonor cu intensitate mare şi cu o rază de acţiuneredusă la mărimea ţesutului lezat.
8/17/2019 Imagistica US
30/38
Tipuri de sonde utilizate în ultrasonografia medicală
Sonda este un instrument cilindric în formă de tijă sau detub subţire şi lung, introdus în interiorul corpului în scopdiagnostic sau terapeutic.
Sondele sunt puse pe piele sau introduse pe o cale
naturală sau patologică (fistula) sau chiar prin piele. Ele servescla explorarea traiectului unui canal patologic, la prelevarea saula evacuarea unui produs (puroi, salivă, suc gastric, urină), laadministrarea unui medicament, a oxigenului sau a alimentelor(hrănire artificială), la dilatarea unui canal îngustat (uretra,ureter), la îndepărtarea unui calcul sau la înregistrarea sau laproducera unei actitivităţi electrice în inimă (antrenareextrasistolică).
8/17/2019 Imagistica US
31/38
O sondă este dotată cu un emiţător de ultrasunete (undeacustice - nepercepute de urechea umană) care traverseazăorganele, dar sunt reflectate în parte atunci când întâlnesc o
modificare a densităţii ţesuturilor.
Există mai multe tipuri de sonde:- Sondele utilizate pe cale externă sunt plasate pe corpul
pacientului, deasupra regiunii de explorat.- Sondele endocavitare (utilizate pe cale internă) suntintroduse (ex. în esofag (ecografia endoesofagiană sautransesofagiană pentru explorarea inimii).- Sondele miniaturizate, introduse prin cateterism în vase,permit ecografia intravasculară.
8/17/2019 Imagistica US
32/38
Adaptarea traductoarelor la mediu
Transferul de energie ultraacustică dintr-un mediu,caracterizat de coeficientul de transmisie acustică τ, în altuldepinde de impedanţele acustice ale mediilor în contact.
( )21122
2121
i
t
uu
uu4
I
I
ρ+ρρρ==τ
Transfer optim de energie → valori apropiate ale impedanțelor
8/17/2019 Imagistica US
33/38
cristale piezoelectrice ca emiţător de unde ultrasonore în aer → diferenţa
mare de impedanţa intre cuarţ şi aer → nu are loc un transfer eficace a
energiei ultrasonore către mediul de iradiat
Soluția: medii de cuplaj - adaptoare de impedanţă - uleiuri, glicerină sau
combinaţii de glicerină cu apă. Transferul maxim de energie
ultraacustică are loc dacă grosimea adaptorului de impedanţă este
egală cu un număr întreg de jumătăţi de lungimi de undă (λ/2).
8/17/2019 Imagistica US
34/38
Concentratoare de energie ultrasonică
În diagnosticul sau în tratamentul ultrasonor este necesară concentrarea
unei anumite intensităţi acustice pe materialul de studiat. În multe situaţii
este necesar să se obţină concentraţii mari de energie într-un volum redus.
Analogie unde US de ν ridicate ↔ unda luminoasă
→ Reflectori concavi şi lentile acustice – permit ca energia acustică să fie
concentrată într-un volum mic, prin transformarea undei plane într-o undă
sferică convergentă.
8/17/2019 Imagistica US
35/38
Probleme generale privind aplicatiile clinice ale US
Energia ultrasonica
diagnostic
terapie
Diagnostic → ν = 2 - 2,5 MHz (λ = 0,8 - 1 mm)
I = 1 - 10 mW/cm2
Terapie → ν = 1 - 2 MHz
I = 0,5 - 4 W/cm2
8/17/2019 Imagistica US
36/38
8/17/2019 Imagistica US
37/38
Efecte mecanice si chimice
Efectele mecanice şi chimice provocate de acţiunea ultrasunetelor se
datorează fenomenului de cavitaţie - fenomenul de rupere şi refacere
a unui lichid sub acţiunea unor tensiuni suficient de mari sau a unor
variaţii rapide şi bruşte de presiune.
Sub acţiunea schimbărilor de presiune, distanţa medie dintre particulele
lichidului variază până la atingerea valorii necesare ruperii lichidului.
Ruperea se produce în momentul în care presiunea acustică anulează
presiunea corespunzătoare forţelor de coeziune dintre particulelelichidului. Ruperea este urmata de aparitia unor cavitati microscopice.
8/17/2019 Imagistica US
38/38
Un exemplu de aplicație: ecografia Doppler
Efectul Doppler: “Atunci când sursa sonoră se apropie de un observator,frecvenţa sunetului recepţionat creşte şi atunci când se depărtează,frecvenţa recepţionată scade”
- sursa de US - fixă
- observatorul - mobil, constituit din două obiecte şi anume: o structura
organică mobilă situată pe axa fasciculului de unde US şi un cristal receptor,care va avea aceeaşi natură şi aceleaşi dimensiuni cu sursa emiţătoare-mişcările ţesutului perturbă frecvenţa undelor recepţionate de cristalulreceptor; modificarea poate fi înregistrată grafic
(vezi și William R. Hendee, E. Russell Ritenour, Medical Imagistics, ed. a 4-a,ISBN 0-471-38226-4).
http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.html
http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.htmlhttp://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/doppler/doppler.html