Fizica Us01

Principii Fizice si Tehnici

1

ECOGRAFIA MUSCULOSCHELETALĂ Ecografia – metoda optimă , ce furnizeaza o imagine detaliata a ţesuturilor superficiale : piele, tesut subcutanat, muschi,tendoane, articulatii. Uneori ecografia poate furniza informatii similare IRM-ului ,la un cost mult mai scazut. Avantaje – scanare in timp real ,accesibilitate , nu iradiaza Dezavantaje: operator dependenta nu vizualizeaza : meniscurile si ligamentele incrucisate in zonele profunde ecranate de os structura osoasa

2

Etapele ecografiei Ultrasunete

Semnal electric

Imagine diagnostica

3

Ultrasunetele (US) Unda mecanica =o perturbare care se propaga printr-un mediu , a carei energie este transferata de la o particula a mediului la alta , fara deplasarea mediului insusi US = Forma de energie mecanica propagate sub forma unor unde cu frecventa > 18kHz (superioara limitei de perceptiei a urechii umane )

4

Ultrasunetele (US) Particulele oscileaza in jurul unei pozitii de echilibru, apropiindu-se si distantinduse de cele vecine→ Unda se propaga din aproape in aproape–in lungul directiei de deplasare (de unde numele de unde longitudinale) Apropierea si distantarea dintre particule creaza zone de presiune maxima si presiune minima dispuse alternativ.

5

Efectul piezoelectric

titanat de bariu; zirconat de plumb ; fluorura de poliviniliden

Sta la baza conversiei reciproce a energiei electrice in energie mecanica (ultrasunete) Piezein(gr.) = presiune Efectul piezoelectric direct (1)reprezinta aparitia unui diferente de potential electric intre cele 2 suprafete ale unui cristal atunci cind acesta este supus unei deformari mecanice Efectul piezoelectric invers (2) = aparitia unei deformari mecanice a unui cristal supus unei tensiuni electrice

1

2

6

TRADUCTORUL

Dispozitiv : care converteste energia electrica in mecanica si invers prin efectul piezoelectric emite si primeste US prin stimularea cristalelor piezoelectrice

7

Traductorul : structura Materialul piezoelectric Strat adaptativ (matching layer)faciliteaza transmisia US din traductor in corp Material atenuator (backing block+ acoustic insulator)

absoarbe US inutile

Electrozi conectati la cablul coaxial 8

Ultrasunetele : parametri fizici Perioada (T) = timpul ( in secunde) necesar unei particule pentru descrierea unei oscilatii complete in jurul pozitiei de echilibru Fecventa (F)= numarul de oscilatii/secunda =Herz F=1/T Hz=1/s Amplitudinea (A) = valoarea absoluta a distantei maxime parcursa de particula in jurul pozitiei de echilibru. Pentru undele longitudinale , amplitudinea maxima si minima echivaleaza cu zonele de presiune maxima si minima . Lungimea de unda (λ) = distanta dintre 2 maxime sau dintre 2 puncte succesive aflate in aceeasi faza Viteza ultrasunetelor (c ) = distanta parcursa de unda in unitatea de timp

Frecventa diagnostica 3 -20 MHz

C[m/s]=F[Hz]x λ [m] 9

Generarea ultrasunetelor Traductorul, prin intermediul cristalelor piezoelectrice, produce discontinuu ultrasunete US sint produse timp de 1μs , in pachete de 3 unde alaturate , denumite pulsuri sau trenuri de unda Lungimea unui tren de unda (puls) se numeste Lungime Spatiala a Pulsului (LSP ) , egala cu 3 lungimi de unda λ LSP=2-3λ Timpul dintre emisia a 2 pulsuri = perioada de repetitie a pulsului (PRP) (0.001-0.0002 s ) Frecventa cu care sint emise pulsurile = frecventa de repetitie a pulsului(FRP) FRP=1/PRP FRP=1-5kHz

10

Generarea si caracteristicile US US sint emise ca pulsuri de unda /tren de unda – “eco pulsat” Lungimea spatiala a pulsului = 2-3 x λus → detaliul imaginii Ciclul puls-ecou(1μs+99μs):se emite pulsul 1μs + se asteapta ecoul 99μs LSP=lungimea spatiala a pulsului PRP=perioda de repetitie a pulsului FRP= frecventa de repetitie a pulsului [ 1-5 kHz]

Fus =frecventa ultrasunetelor [7-10MHz ] Fus=1000 x FRP 11

Caracteristicile fizice ale us Energia acusticadetermina oscilatia particulelor din mediul strabatut [W] Energia, puterea si Puterea acusticafluxul de energie acustica /secunda [W/s]

intensitatea acustica

Aria fascicul

determina calitatea imaginii finale

US

Intensitatea acustica = energia undei/suprafata strabatuta=W/cm2

12

Comportarea US in tesuturi • US pierd din intensitate odata cu inaintarea in tesut = se ATENUEAZA • Atenuarea = DF • D= distanta , F= frecventa US, Factori ce contribuie la atenuare: Absorbtia -80% Reflexia -10% Refractia Difractia Dispersia Interferenta

coeficientul de atenuare al mediului

Reflexia + Absorbtia + Transmisia

Contribuie majoritar la formarea imaginii

Depind de proprietatile mediului strabatut 13

Atenuarea US in tesuturi Practic, pentru F=10MHz, la 1cm de transductor , puterea semnalului este de 10x mai mica , la 2 cm de 100x, la 4 cm de 10 000 x …. O reprezentare matematica usoara este facilitata de masurarea diferentei in decibeli – dB dB=10 x log10(P1/P0) P0-puterea intiala P1-puterea finala

A= DF

dB P finala −30 dB −20 dB

1/1000 = 0.001 1/100 = 0.01

−10 dB 1/10 = 0.1 1/2 = 0.5 −3 dB (aprox.) 3 dB 2 (aprox.) 10 dB 10 20 dB 100 30 dB 1000

Tesut

α(dB / MHz * cm) pt 1MHz

Plamin

41

Os

20

Tendon

II 15.0 / 4

Muschi striat

II 2,9 / 1.1

Grasime

0.63

Singe

0.18

Creier

0.85

Apa

0.0022

α – coeficient de atenuare al US 14

Proprietatile acustice ale tesuturilor • Viteza de propagare a ultrasunetelor • C= (E/ρ) 1/2 • depinde de • fortele Elastice dintre particulele mediului • ρ =Densitatea =masa/volum • E= modul de elasticitate al mediului

c

E/

• Impedanta acustica Z – rezistenta mediului la propagarea sunetelor • Z= c x ρ [rayl=kg/m2 x m/s]

c si Z

Determina comportarea US in tesuturi 15

Comportarea US in corpul uman Se propaga liniar (similar cu un fascicul luminos) Interfata =Suprafata dintre 2 medii cu impedante acustice (Z) diferite Reflexia : intoarcea undei in mediul din care provine dupa intilnirea unei interfete cu suprafata neteda si dimensiunea > λ Sta la baza formarii ecoului – a imaginii ecografice Reflexie speculara=“lucioasa” Specular(eng)= lucios 16

Comportarea US in corpul uman Reflectori cu Dimensiuni >λ Pentru reflectori cu dimensiuni >λ: Z grasime≈Ztendon →are loc transmisia in tesuturile profunde →se formeaza imagine dincolo de interfata Z os >> Z parti moi – reflexie totala a US spre traductor→structurile de dincolo de interfata nu mai apar pe imagine Coeficient de intensitate al reflexiei

Coeficientul de Intensitate al transmisiei

17

Comportarea US in corpul uman

18

Comportarea US in corpul uman 1.Dispersia fasciculului de US = imprastierea US sub forma de ecouri dezordonate de joasa amplitudine,atunci cind fasciculul intilneste reflectori nespeculari (neluciosi) caracterizati prin suprafata neregulata si dimensiuni <λ 2.Difuzia = preluarea de catre unele particule a unei cantitati din energia incidenta si reemiterea ei in toate directiile sub forma de unde sferice (particula ≤λ ) 3.Interferenta = rezultatul actiunii simultane a 2 sau mai multe unde asupra aceleiasi particule din mediul de transmisie, cu sumarea (interferenta constructiva)sau reducerea lor (interferenta distructiva) Cele 3 fenomene contribuie la formarea ecotexturii tesuturilor

dimensiuni <λ Dispersia Difuzia

Textura tesutului

Interferenta

19

Difuzie

Textura tesutului

Interferenta

20

Viteza US prin tesuturi Tesut Piele

Frecventa traductor MHz 20

Viteza m/s 1642 pe sin 1570 pe faţa

Grasime

2

1446

Muschi

10

1557 pe axa lunga +3 m/s in 1550 pe axa scurta contractie

Tendoane

10

1713 pe axa lunga 1650 pe axa scurta

Os

0,1

3375 – 7080 (dupa gradul de mineralizare)

Melanom cutanat

20

1553 m/s - 1588 m/s

Anizotropia= proprietati diferite pe directii diferite

21

Fasciculul de US La aplicarea unui stimul electric asupra unui traductor se emit un manunchi de unde US denumit fascicul T Grosimea fascicului este neuniforma r Determinata de geometria transductorului a d u c t o r

22

Traductorul – geometrie

23

Traductorul liniar Compus din 120-240 elemente rectangulare de 2-10 mm inaltime , 2mm grosime , puse una linga alta 10-12 elemente sint activate simultan in grup Activarea incepe de la un capat al traductorului Axa centrala a fasciculului rezultant denumita linie de scanare , corespunde elementului central al grupului Dupa receptarea si stocarea ecourilor de catre primul element, urmeaza activarea elementului adiacent– linia de scanare se deplaseaza pe latimea traductorului Astfel unda matura tot cimpul de vedere rectangular al traductorului Cimp de vedere = zona scanata de transductor

24

Traductor fazat - phased array Traductorul focalizeaza si directioneaza electronic simultan fasciculul de US Format din 64 – 128 elemente toate implicate in formarea fiecarei linii de scanare Emisie simultana - fascicul perpendicular pe suprafata examinata . Directionarea - emisia secventiala a elementelor individuale cu timpi de intirziere controlati pentru fiecare element Prin varierea intirzierilor de la o secventa la alta , fasciculul matura un cimp de vedere sectorial Ajustarea timpilor de intirziere focalizeaza fasciculul in planul imaginii Focalizarea pe grosime - cu lentile acustice

Schimba directia si adincimea focarului

25

Fasciculul de ultrasunete Principiul lui Huygens Christian Huygens, 1629-1695 matematician si astronom olandez

Suprafata unei surse radiante poate fi considerata ca fiind alcatuita din numeroase surse punctiforme Undele sferice emise de fiecare sursa interfera si formeaza un front de unda plan Transductorul liniar : fascicul ingust usor convergent la nivelul zonei apropiate

Fascicul nefocalizat emis de un traductor cu 1 element cu diametrul d

26

Fasciculul de ultrasunete

Fascicule secundare “ lobi laterali”

Fascicul rezultat prin emisia simultana a 10-12 elemente piezoelectrice

Fascicul primar – importanta diagnostica

Fascicule secundare “ lobi laterali”

Zone de presiune maxima –rosu Zone de presiune minima – albastru Zona diagnostica = zona rosu-galben

27

Fascicul rezultat prin emisia simultana a 10-12 elemente piezoelectrice

T r a d u c t o r

Lob lateral

Zona focala – de maxima presiune si maxima intensitate a fasciculului

Zona Fresnel diagnostica Lf=D2/4λ D= diametrul cristalelor din transductor Lf= lungimea zonei Fresnel

Zona Fraunhofer Sinθ=1,22λ/ D Fascicul divergent nediagnostic

Diametrul materialului piezoelectric mare—fascicul gros+ zona Fresnel lunga 28

Focalizarea Procesul de concentrare al US pe zona de interes (focar / arie focala) Intensitatea maximă a fasciculului se regaseste in aria focala Posibila electronic sau cu lentila acustica Focalizarea subtiaza fascicolul in zona focala Focalizare electronica prin intirzierea semnalelor emise

Focalizare electronica prin intirzierea semnalelor primite

29

Focalizarea Focalizarea cu lentila acustica este posibila doar perpendicular pe planul imaginii

Focalizarea electronica este posibila atit in planul imaginii cit si perpendicular pe acesta

Focalizarea : • scurteaza zona apropiata si zona focala • creste divergenta fasciculului in zona departata

30

• Focarul = zonă în care fasciculul are un diametru minim relativ constant

•Focalizarea scurteaza zona apropiata si creste divergenta fasciculului in zona departata

• Distanta focala ≈ diametrul curburii lentilei • Lentila acustica a traductorilor liniari focalizeaza fasciculul doar intr-un plan perpendicular pe cel al imaginii =scade grosimea sectiunii 31

În ecografia musculoscheletală este preferată focalizarea electronică Focalizarea electronică în timp real: Reduce grosimea şi lăţimea fasciculului Creşte rezoluţia (detaliul) de contrast şi spaţială Reduce artefactele de volum parţial

Focare multiple

Apertura dinamica foloseste tot mai multi elementi pentru a deplasa focarul spre adincime

32

Traductorul : frecventa si latimea de banda Traductorul emite in mod normal un spectru de frecvente , in care domina una dintre ele Frecventa nominala (FN) a traductorului = frecventa centrala , dominanta in spectru FN depinde de grosimea cristalului si este prestabilita prin fabricatie Grosime mare – frecventa mica Spectrul de frecvente US =latime de banda a semnalului ultrasonor

Latimea de banda ~ calitatea imaginii

Frecventa centrala/dominanta in latimea de banda cu utilitate maxima in generarea imaginii US =Frecventa Nominala a transductorului 33

Formarea imaginii Computerul formeaza imaginea dupa urmatoarele criterii: Fascicul ingust cu grosime uniforma Atenuare uniforma Viteza sunetului constanta 1540m/s Unda calatoreste in linie dreapta la si de la reflector Ecourile de la toate adincimile ajung la traductor inainte ca urmatorul puls sa fie emis 34

Viteza sunetului prin tesuturi Considerata constanta =1540m/s Distanta parcursa de semnal pina la interfata si inapoi este calculata in functie de timpul scurs de la emisia pina la receptia acestuia

V = 2d / t Pozitia 35

Reprezentarea grafica a informatiei Mod Amplitude Brightness Motion Modul A – traducerea in grafic a ecourilor reflectate in functie de amplitudine si adincimea lor (oftalmologie) Modul M - modularea pozitiei in functie de timp – examinare dinamica – miscarea structurilor pe directia aleasa de traductor (ecocardiografie)

36

Modul B Brightness - Stralucire Imagini bidimensionale Fiecare ecou al unei linii de informatie ultrasonora devine un punct luminos pe ecran Stralucirea punctului este direct proportionala cu amplitudinea semnalului Examinarea in timp real •Elementele transductorului genereaza 20-60 imagini/s → film al structurilor examinate

37

Modul B Formarea liniilor de informatie ultrasonora

Imagine finala pe ecran 38

Obtinerea informatiei ultrasonografice modul B Analizeaza intensitatea ecoului Emite pulsuri 1 μs si recepteaza ecouri 99μs = caracter pulsator La nivelul fiecarei interfete o parte din unda se reflecta (ecou)cealalta se transmite la urmatoarea interfata. In urma emiterii unui impuls se receptioneaza o multime de ecouri distantate in spatiu si timp datorita distantelor dintre interfetele care le-au generat Distanta cm  Timp s Amplitudinea impulsuslui electric ~ intensitatea ecoului Amplitudinea ecoului scade cu distanta

39

Tehnici de preprocesare TGC Zoom la achizitie Compresia logaritmica Umplerea prin interpolare Amplificarea marginilor Actualizarea imaginii

40

TGC Atenuarea=

x Distanţa x Frecvenţa

Atenuarea este direct proportională cu distanta si frecventa Necesită TGC (time gain compensator = compensarea atenuarii in functie de timp ) care creste intensitatea ecourilor profunde pentru a produce o scara de gri uniformă

41

42

Imaginea ecografica - pixel • Linii de informatie US – imagine digitala – memorie – matrice 512 x 512 celule – fiecare celula = 0 sau 1 (cod binar) – memorie cu 6 straturi – pixel ( picture element)

43

Imaginea ecografica- rezolutia Rezolutia Cantitatea de detalii (informatii) pe care le ofera o imagine / metoda Rezolutie spatiala (axiala/laterala/elevationala) Rezolutie de Contrast Rezolutia Temporala 44

Rezolutia Spatiala Distanta minima dintre 2 puncte la care acestea mai pot fi deosebite/apar separat pe imagine In functie de planurile fasciculului de US →Axiala/Laterala/Elevationala

45

Rezolutia spatiala

Pixeli mici = detalii multe Calitatile materialelor piezoelectrice: Pentru o rezolutie buna a imaginii se utilizeaza impulsuri foarte scurte de US Rezolutia spatiala ideala =λ-se obtine cind la 1 impuls electric se emite 1 unda care tine 1 perioada Practic se obtin unde cu durata = 2-3 perioade si amplitudine rapid descrescinda

46

Rezolutia axiala RS in directia lungimii fasciculului creste cu frecventa, largimea de banda, scaderea LSP RA > 0.5LSP RA Maxima =0.5LSP= 0.5N λ Daca RA<0.5 LSP apare semnal sumat de la cei 2 reflectori

LSP= functie de traductor

47

Rezolutia laterala RS perpendiculara pe directia fascicolului Pentru un singur element RL depinde de grosimea fasciculului=fasciculul trebuie sa fie mai ingust ca distanta dintre reflectori Focalizarea laterala -creste RL in zona apropiata si o scade in cea departata datorita divergentei fasciculului In modul B- RL depinde si de numarul de linii de scanare Fasciculele trapezoidale – RL scade cu distanta (divergenta) RL creste cu frecventa sunetului, numarul liniilor de scanare, focalizarea laterala 48

Rezolutia de Contrast Capacitatea instrumentului de a discrimina intre 2 ecouri cu intensitati foarte apropiate US sufera o atenuare importanta in organism (apare o diferenta de 90dB intre cel mai tare si cel mai slab ecou)= 10 9 nivele de gri →depasirea capacitatii de afisare pe ecran Sistemul scarii de gri : ecourile slabe sint amplificate selectiv in detrimentul celor tari,care sint comprimate 128-256 -512 nivele de gri –afiseaza datele semnificative clinic Ochiul uman distinge 14-20 nivele de gri

A B

C=(SA-SB)/(SA+SB)

SA,SB intensitatile semnalelor din tesuturile alaturate A si B 49

Rezolutia Temporala Intervalul de timp minim la care 2 evenimente mai pot fi percepute separat Eco in timp real : frecventa de afisare a imaginilor = 20-60imagini/s Frecventa imaginii ~ 1/(nr de linii de pe imagine ; profunzimea imaginii ) Limita rezolutiei temporale Penetratia (cm) x NFxNLIx FI ≤ 77 000 (= 154000cm/s /2) NFxNLIxFI=PRF[FRP] frecv de repetitie a pulsului FI-frecv imaginii, NF-nr de focare de pe o linie de informatie,NLI-nr linii de informatie

Peste aceasta limita un nou puls este emis inainte ca ecoul cel mai profund sa fie receptionat → ambiguitatea pozitiei interfetei Pentru a reprezenta 1 cm de profunzime sint necesare 13μs 50

Zoom la achizitie Mai multi pixeli / element anatomic de interes

51

Tehnici de postprocesare Inghetarea imaginii freeze Definirea regiunii de interes ROI Zoom la citire Harta nivelelor de gri Medierea imaginilor Amplficarea contrastului Finisarea electronica 52

Inghetarea imaginii • Monitorul afiseaza acelasi set de date cu o frecventa de 20-60 imagini/s

Definirea regiunii de interes -ROI Conturul unei regiuni inchise Analiza matematica a valorilor din zona de interes

53

CONFIGURAŢIA APARATULUI Traductori Liniari Cu rezolutie inalta Cu banda lata De inalta frecventa (7 to 15-MHz) Tegument - 20-MHz Tesutul subcutanat Flexorii degetelor FOV clasic 3-4 cm FOV Extins 50 - 60 cm Real-time spatial compound scanning (SonoCT, SieClear)

Algoritmi de examinare Compound imaging(sono CT) Extended fild of view Steered based imaging Reconstrucţie 3 D Elastografia Unde armonice Color power Doppler

54

55