Download Ecografía y Ecodoppler Introducción

Ecografía y Ecodoppler
Juan Pablo Graffigna
Introducción
•
•
•
•
•
•
Características Principales.
Ultrasonido.
Transductores.
Ecografía.
Calidad de Imagen.
EcoDoppler.
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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.
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Ultrasonido
• Definiciones: 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.
Ultrasonido
Período
Presión local en
un punto
f=1/T=1-10MHz
t
λ
Presión local en la
dirección del
frente de onda
x
Velocidad del US (c) = longitud de onda (λ) x frecuencia (f)
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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.
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Ultrasonido
Prop.-Reflexión y Transmisión.
1
2
coeficiente de reflexión =
impedancia (rayl ) = densidad ( Kg
m3
I reflejada
I incidente
z − z 
=  2 1
 z 2 + z1 
2
) x velocidad de propagación(m / s )
Z = ρ .c
coeficiente de transmisión = 1 −
I reflejada
I incidente
z − z 
=  2 1
 z 2 + z1 
2
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.
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Ultrasonido
Propiedades-Atenuación.
• Se mide en decibeles.
• Para tejido blando 0,5 dB/cm/MHz.
• Tiene vinculación directa con la profundidad:
Frecuencia
[MHz]
2,0
3,5
5,0
7,5
10,0
Longitudde Onda
[mm]
0,77
0,44
0,31
0,21
0,15
Coef.de Atenuación
[dB/cm]
1,0
1,8
2,5
3,8
5,0
Prof. de Imagen
[cm]
30
17
12
8
6
Ultrasonido
Recorrido de un pulso
Long.Esp.
del Pulso
Para la ecografía, las
propiedades más relevantes
son la Reflexión y la
Dispersión.
6
Ultrasonido
Tiempo y Distancia
La ecografía calcula las distancias a partir del tiempo
de arribo del eco.
x=
d t.c
=
2 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.
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Ultrasonido
Propiedades de los tejidos
S u s ta n c ia
ρ
A gua
c
[m /s ]
1492
[g /c m 3 ]
0 .9 9 8 2
Z
[g /c m 2 s ]
1 .4 8 9 x 1 0 5
A ir e
331
0 .0 0 1 3
0 .0 0 0 4 3 x 1 0 5
M ú s c u lo
1568
1 .0 4
1 .6 3 x 1 0 5
H íg a d o
1570
1 .0 5
1 .6 6 x 1 0 5
G ra sa
1470
0 .9 7
1 .4 2 x 1 0 5
H ueso
3360
1 .8 5
6 .2 x 1 0 5
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.
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Transductores de US.
Estructura.
Conductores
Matrial
Backing
Cristal
Acoplamiento
Transductores de US.
Estructura. Cristal
• Cristal Piezoeléctrico
– 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).
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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.
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Transductores de US.
Haz de US
Campo cercano y campo lejano.
θ
Campo
lejano o
zona de
Fraunhofer
Campo cercano o
zona de Fresnel
L
Transductores de US.
Haz de US-Diámetro
θ1
Ventanas pequeñas
L1
θ2
L2
Mayor profundidad.
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Transductores de US.
Haz de US - Frecuencia
θ1
L1
θ2
L2
θ3
L3
– Mayor frecuencia:
– Ejemplo. Estudio cardíaco:
• Mejor resolución.
• Mejores características del haz.
• Menor penetración.(determinante)
• 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.
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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
Transductores de US.
Formas de Barrido
• Mecánico.
• Electrónico.
– Forma de activar el arreglo:
• Secuenciado.
• Variación de fase.
• Ambos.
– Forma del arreglo:
• Lineal.
• Curvo.
Tipos de Barrido
Oscilante
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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
Transductores de US.
Enfoque electrónico.
• Emisión multifocal.
• Enfoque dinámico
de recepción.
Σ
Retardos
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Transductores de US.
Tipos
Tipo de Transductor
Mecánico
Enfoque
Lente Acústica Variación de
Fase
X
Mecánico
Barrido
Secuenciado
Variación de
Fase
X
X
Arreglo Lineal
Secuenciado
Arreglo Curvo
Secuenciado
Arreglo Lineal de
Fase
Arreglo Curvo de
Fase
Arreglo de Fase
X
Arreglo Vectorial
X
Arreglo Anular
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Transductores de US.
Tipos
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Ecógrafo
Cineloop
Receptor
Conversor
Analógico
Digital
Buffer
Temporal
Convertidor
Digit. de Barrido
(DSC)
Pulser
Memoria
de Pantalla
Postprocesado
Control
Central
Transductor
y Conform.
del haz
Almacenamiento
Monitor o Digital
Analógico
Ecógrafo
Receptor
• Cinco operaciones básicas:
–
–
–
–
–
Amplificación.
Compensación.
Compresión.
Demodulación.
Rechazo.
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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.
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Ecógrafo
Dispositivos de Salida
Ecógrafo-Modos
• Modo B (Brillo o Bidimensional)
• Modo M (Movimiento)
• Modo A (Primer modo)
A
Amplitude
Modos:
B
Brightness
M
Motion
tiempo
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Ecógrafo - Modelos
Calidad de Imagen
• Resolución Espacial:
– 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 ≤ 77.000
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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 = 2.
Donde:
Fo
.v. cos θ
c
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.
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Ecodoppler
Instrumentación Doppler
Ecodoppler
Espectral
Continuo
Ecodoppler
Espectral
Pulsado
CW
PW
Ecodoppler
Color
Color y de Potencia
Ecodoppler Espectral
Demodulador Coherente
DC
Señal
de Eco
x
M
Filtro
Pasabajos
Señal
Doppler
Oscilador
O(f)
f
Eco(f)
M(f)
SDop(f)
FPB
f
f
f
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Ecodoppler Espectral
Demod.Fase Cuadratura
SD+(SI-90º)
(SD+90º)+SI
DFQ
DC
Eco
+90º
Σ
+90º
Σ
I
Señal
Inversa
(SI)
Osc
90º
Q
DC
SI+(SD-90º)
Señal
directa
(SD)
(SI+90º)+SD
Ecodoppler Espectral Continuo
Oscilador
Amplificador
Transmisión
Tx
Amplificación
Recepción
Rx
SD
DFQ +
Funciones SI
Análisis
Espectral
Tx
Rx
t
t
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Ecodoppler Espectral Pulsado
PRF
Puerta
PRF
Amplificador
Transmisión
Oscilador
Amplificación
Recepción
SD
DFQ +
Puerta
Funciones SI PRF
T/R
Análisis
Espectral
T
R
t
t
Ecodoppler Espectral
Análisis Espectral
SD o SI
Transf.
de
Fourier
SD
SI
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Ecodoppler Espectral
Imágenes de Ejemplo
Ecodoppler Color
• 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.
Ecodoppler
Color
Color y de Potencia
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Ecodoppler Color
Autocorrelador
DFQ
I(t)
0
T
2T
3T
4T
Q
T Q
I
t
2T Q
Q(t)
I
3T Q
I
I
4T Q
T
2T
3T
4T
t
I
∆Φ = Wd .T = 2π .f d
f d es proporcion al v
Ecodoppler Color
Autocorrelador
Autocorrelador
DFQ
I
Q
Retardo T
cos(Wd.t)
sen(Wd.t)
Media
Multiplicador
cos(Wd.T)
Complejo
sen(Wd.T)
Estimación del
Promedio,
Varianza y
Amplitud.
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)
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Ecodoppler Color
Transductor
Ventana de color
Codificación
de Color
Modo B
Ecodoppler Color
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Ecodoppler de Potencia
Ecodoppler Color
Codificaciones
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Ecodoppler-Comparaciones
TÉCNICA
Ecodoppler Espectral
• Continuo
VENTAJAS
•
•
•
Pulsado
•
•
•
•
•
•
Ecodoppler Color
• Convencional
•
Modo de potencia
(Power Mode)
•
•
•
•
DESVENTAJAS
Brinda distribución de velocidades de los glóbulos •
rojos.
Permite determinar velocidades máximas, mínimas
y promedio.
Presenta la variación temporal del flujo.
Puede medir altas velocidades.
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
Brinda una distribución espacial de velocidades.
Permite calcular para cada ubicación el valor
medio, la varianza y el signo de la velocidad.
Brinda una distribución espacial de las partículas
en movimiento.
Determina presencia de flujo.
•
•
No tiene información de
profundidad.
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
Ejemplos
29