Ecografía y Ecodoppler

Transcripción

1 Ecografía y Ecodoppler Juan Pablo Graffigna Características Principales. Ultrasonido. Transductores. Ecografía. Calidad de Imagen. EcoDoppler. Introducción 1

2 Características Principales Técnica no invasiva. Utiliza ultrasonido por reflexión. Es una técnica muy interactiva. Ecografía: Imágenes anatómicas. Ecodoppler: Imágenes Funcionales del Sistema Cardiovascular. Se utiliza mayormente en tejido blando. Ultrasonido Definiciones: Sonido El sonido es una vibración mecánica en un medio físico tal como el aire o el agua. Es originada por oscilaciones de partículas que provocan compresiones y descompresiones. Las ondas generadas pueden ser transversales (sólidos) o longitudinales (aire, líquidos y sólidos). El sonido puede ser clasificado en infrasonido, sonido audible o ultrasonido de acuerdo a la frecuencia o rapidez de la vibración mecánica. 2

3 Definiciones: Ultrasonido Ultrasonido Onda mecánica con una frecuencia mayor a 20KHz (por encima del rango audible). La gran relación que existe entre el tamaño del objeto y la longitud de la onda a altas frecuencia hace que las técnicas que utilizan el ultrasonido para exploración tengan gran utilidad clínica. Para la generación se utilizan cristales piezoeléctricos. Período Ultrasonido f=1/t=1-10mhz Presión local en un punto t λ Presión local en la dirección del frente de onda x Velocidad del US (c) = longitud de onda (λ) x frecuencia (f) 3

4 Ultrasonido Duración del pulso Periodo de repetición del pulso t Tpo. Transmisión Tpo. Escucha x Long.Espacial de pulso Ultrasonido Propiedades Al incidir una onda de US en un medio se puede producir: Reflexión.* Transmisión. Dispersión o Scattering*. Absorción.* * Responsables de la Atenuación. 4

5 Ultrasonido Prop.-Reflexión y Transmisión. 1 2 I coeficiente de reflexión= I reflejada incidente z = z z 1 z1 impedancia( rayl) = densidad( Kg 3) x velocidad de propagación( m / s) m Z = ρ. c coeficiente de transmisión= 2 I reflejada z 2 z1 1 = I incidente z 2 + z 1 Ultrasonido Propiedades-Dispersión. Es una onda que se propaga en todas direcciones producida por partículas pequeñas respecto a la longitud de onda. Se produce en superficies rugosas o medios heterogeneos. Cada tejido es histológicamente distinto, por tanto tendrá patrones de interferencia distinto producido por la dispersión. La retrodispersión (Backscattering) varía con la frecuencia y el tamaño del dispersor. 5

6 Ultrasonido Propiedades-Atenuación. Se mide en decibeles. Para tejido blando 0,5 db/cm/mhz. Tiene vinculación directa con la profundidad: Frecuencia [MHz] Longitud de Onda [mm] Coef.de Atenuación [db/cm] 2,0 0,77 1,0 30 3,5 0,44 1,8 17 5,0 0,31 2,5 12 7,5 0,21 3,8 8 10,0 0,15 5,0 6 Prof. de Imagen [cm] Ultrasonido Recorrido de un pulso Long.Esp. del Pulso Para la ecografía, las propiedades más relevantes son la Reflexión y la Dispersión. 6

7 Ultrasonido Tiempo y Distancia La ecografía calcula las distancias a partir del tiempo de arribo del eco. d x = = 2 t. c 2 Donde:x: profundidad del eco. d: distancia recorrida por la onda. t: intervalo de tiempo c: velocidad de propagación Ultrasonido Situación ideal: Velocidad constante. Impedancia acústica variable. La velocidad de propagación c es un parámetro muy importante y depende de: Temperatura. (Relativamente constante) Frecuencia. (La dispersión es despreciable) Tejidos. 7

8 Ultrasonido Propiedades de los tejidos S u sta n cia c ρ Z [m /s] [g /cm 3 ] [g /cm 2 s] A g u a x A ire x M ú sc u lo x H íg a d o x G ra sa x H u eso x Debido a que el cálculo utiliza la velocidad de propagación, el mismo se realiza considerando un valor promedio. c = 1540 m/s Transductores de US. Convierten energía mecánica en eléctrica y viceversa. Utilizan cristales piezoeléctricos. Pueden tener varios cristales. Diferentes tipos. Están vinculados a dispositivos electrónicos encargados de conformar el haz en el espacio: barrido y enfoque. 8

9 Transductores de US. Estructura. Conductores Matrial Backing Cristal Acoplamiento Cristal Piezoeléctrico Transductores de US. Estructura. Cristal Energía Eléctrica Mecánica. Materiales naturales y artificiales. Excitación La frecuencia de resonancia está determinada por el espesor del cristal. Puede ser utilizado como emisor permanente (Q elevado) o en forma pulsada (Q bajo). 9

10 Transductores de US. Estructura. Amortiguamiento Amortiguamiento Evita interferencia posterior. Reduce el tamaño del pulso. Mayor resolución axial. Menor sensibilidad. Atenuación: 20dB/cm a 1MHz. Transductores de US. Estructura. Acoplamiento Adaptación de impedancia acústica. Zcristal es 25 veces mayor que Ztejido. Reverberaciones y mucha reflexión. Se elige un material adecuado con 1/4λ de espesor que produce interferencia constructiva. Adaptación eléctrica. Se debe acoplar correctamente el pulser y el receptor. Se debe realizar una sintonía adecuada con el resto de los elementos del circuito. 10

11 Transductores de US. Haz de US Campo cercano y campo lejano. Campo cercano o zona de Fresnel L θ Campo lejano o zona de Fraunhofer Transductores de US. Haz de US-Diámetro θ1 Ventanas pequeñas L1 θ2 L2 Mayor profundidad. 11

12 Transductores de US. Haz de US - Frecuencia θ1 L1 θ2 L2 θ3 Mayor frecuencia: Mejor resolución. Mejores características del haz. Menor penetración.(determinante) L3 Ejemplo. Estudio cardíaco: 2,5MHz adultos. 3,5MHz niños. 5MHz neonatos. Transductores de US. Nro. de Cristales. Transductor de un elemento pequeño. Transductor de múltiples elementos. Transductor de un elemento ancho. 12

13 Transductores de US. Barrido Envía haces en diferentes direcciones para conformar la imagen. Depende del tipo de transductor y la imagen que se desea obtener. Transductor Formato de Imagen Rectangular Tipos de Barrido Mecánico. Electrónico. Forma de activar el arreglo: Secuenciado. Variación de fase. Ambos. Forma del arreglo: Lineal. Curvo. Transductores de US. Formas de Barrido Tipos de Barrido Oscilante 13

14 Transductores de US. Enfoque Consiste en concentrar el haz disminuyendo su diámetro y mejorando la resolución lateral. Tipos de enfoque: Lentes acústicas. Enfoque electrónico por variación de fase. Zona Focal Lente acústica Emisión multifocal. Enfoque dinámico de recepción. Transductores de US. Enfoque electrónico. Σ Retardos 14

15 Transductores de US. Tipos Tipo de Transductor Enfoque Barrido Lente Acústica Variación de Fase Mecánico Secuenciado Variación de Fase Mecánico X X Arreglo Lineal X Secuenciado Arreglo Curvo X Secuenciado Arreglo Lineal de X X Fase Arreglo Curvo de X X Fase Arreglo de Fase X X Arreglo Vectorial X X X Arreglo Anular X X Transductores de US. Tipos 15

16 Ecógrafo Receptor Conversor Analógico Digital Buffer Temporal Cineloop Pulser Convertidor Digit. de Barrido (DSC) Memoria de Pantalla Postprocesado Control Central Transductor y Conform. del haz Almacenamiento Analógico Monitor o Digital Cinco operaciones básicas: Amplificación. Compensación. Compresión. Demodulación. Rechazo. Ecógrafo Receptor 16

17 Ecógrafo Convertidor Digital de Barrido Líneas de Barrido Buffer Memoria de Imagen Convertidor Digital de Barrido (Transformación Geométrica) Ecógrafo Memoria y Procesamiento. Se utiliza una matriz de 512x512x8bits. Preprocesamiento: Zoom, Ganancia, etc. PostProcesamiento:Zoom, brillo y contraste, mediciones, segmentación y módulos específicos para cada especialidad. 17

18 Ecógrafo Dispositivos de Salida Modo B (Brillo o Bidimensional) Modo M (Movimiento) Modo A (Primer modo) A Amplitude Ecógrafo-Modos Modos: B Brightness M Motion tiempo 18

19 Ecógrafo - Modelos Resolución Espacial: Calidad de Imagen Resolución Lateral: Está determinada por el ancho del haz en cada línea de barrido. Resolución Axial: Está determinada por la longitud espacial del pulso. Resolución de Contraste: Está determinada por la cantidad de ruido y la resolución del CAD y la memoria de imagen. Resolución Temporal: Está condicionada físicamente: P[ cm] x FC[ Hz] x NLB x NF

20 Ecodoppler Es un complemento de la ecografía. Permite estudiar al sistema cardiovascular. Información de velocidad de sangre en vasos. Características del Flujo. Limites de vasos. Ecodoppler Efecto Doppler θ Fd = Fo 2.. v.cosθ c Donde: Fd:variación de frecuencia. Fo: frecuencia de emisión. c: velocidad de propagación. 1540m/s v: velocidad del flujo. (VARIABLE DE INTERES) θ: ángulo de insonación. 20

21 Ecodoppler Instrumentación Doppler Ecodoppler Espectral Continuo Ecodoppler Espectral Pulsado Ecodoppler Color CW PW Color y de Potencia Ecodoppler Espectral Demodulador Coherente Señal de Eco DC x M Filtro Pasabajos Señal Doppler Oscilador O(f) Eco(f) M(f) SDop(f) FPB f f f f 21

22 Ecodoppler Espectral Demod.Fase Cuadratura Eco DFQ DC SD+(SI-90º) (SD+90º)+SI +90º I Σ Señal Inversa (SI) Osc 90º DC Q +90º Σ Señal directa (SD) SI+(SD-90º) (SI+90º)+SD Ecodoppler Espectral Continuo Oscilador Amplificador Transmisión Amplificación Recepción DFQ + Funciones SD SI Análisis Espectral Tx Rx Tx Rx t t 22

23 Amplificador Transmisión Ecodoppler Espectral Pulsado Puerta PRF Oscilador Amplificación Recepción PRF DFQ + Funciones SD SI Puerta PRF Análisis Espectral T/R T R t t Ecodoppler Espectral Análisis Espectral SD o SI Transf. de Fourier SD SI 23

24 Ecodoppler Espectral Imágenes de Ejemplo Ecodoppler Color Ecodoppler Color Color y de Potencia Emite un solo pulso y recibe los ecos de distintas profundidades. De cada profundidad calcula cuatro parámetros. El cálculo que realiza no requiere de la transformada de Fourier, sino que utiliza métodos de autocorrelación. Se genera una imagen en colores donde cada color representa el valor de los parámetros. 24

25 Ecodoppler Color Autocorrelador DFQ I(t) 0 Q T Q T 2T 3T 4T t I I 2T Q 3T Q Q(t) I I 4T Q T 2T 3T 4T t I Φ= W.T= 2π.f f es proporcional v d d d Ecodoppler Color Autocorrelador Autocorrelador DFQ I Q Retardo T cos(wd.t) sen(wd.t) Multiplicador Complejo cos(wd.t) sen(wd.t) Estimación del Promedio, Varianza y Amplitud. Media Var Signo Amp Retardo T Ecodoppler Color Convencional (C). Media. Signo. Varianza (a veces) Ecodoppler Color Se calculan por de potencia (PD). cada volumen Amplitud (Cantidad de de muestra de partículas en movimiento) 25

26 Ecodoppler Color Transductor Ventana de color Codificación de Color Modo B Ecodoppler Color 26

27 Ecodoppler de Potencia Ecodoppler Color Codificaciones 27

28 Ecodoppler-Comparaciones TÉCNICA VENTAJAS DESVENTAJAS Ecodoppler Espectral Continuo Brinda distribución de velocidades de los glóbulos rojos. No tiene información de profundidad. Permite determinar velocidades máximas, mínimas y promedio. Presenta la variación temporal del flujo. Puede medir altas velocidades. Pulsado Brinda distribución de velocidades de los glóbulos rojos. Permite determinar velocidades máximas, mínimas y promedio. Presenta la variación temporal del flujo. El volumen de muestra puede definirse a diferentes profundidades Ecodoppler Color Convencional Brinda una distribución espacial de velocidades. Permite calcular para cada ubicación el valor medio, la varianza y el signo de la velocidad. Modo de potencia (Power Mode) Brinda una distribución espacial de las partículas en movimiento. Determina presencia de flujo. La velocidad máxima está limitada por la profundidad. No realiza una caracterización completa del flujo. No permite evaluar ninguna característica del flujo. (Sólo presencia) Ecodoppler Equipo Completo 28

29 Ejemplos 29