rincípios Físicos do US

(1)

Princípios Físicos do US

Wilson Mathias Jr Diretor, Ecocardiografia

Instituto do Coração - InCor Universidade de São Paulo

(2)

Princípios da Ecocardiografia

(3)

Onda de US

Uma onda em física é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de onda e a periodicidade no tempo é medida pela freqüência da onda, que é o inverso do seu período. Estas duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda.

(4)

Fisicamente uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido ou gasoso).

As ondas existem em um meio cuja deformação é capaz de produzir forças de restauração através das quais elas viajam e podem transferir energia de um lugar para outro sem que qualquer das particulas do meio seja deslocada permanentemente.

Ondas de US

(5)

Transdutores

Cristal

Lente Material

absorvente

(6)

Cristal piezoelétrico:

• Titanium ou cerâmica

• Gera e recebe ondas de ultrassom

• Imagem: tempo de transmissão e reflexão

Transdutores

(7)

Refletor Refletor especular especular

Reflexão Reflexão

Atenua Atenuaççãoão Refra

Refraçãoção

Transdutor

Princípios da Ecocardiografia

Difra Difraççãoão Disper

Disperççãoão

Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound. Vol 1. 2nd ed. St. Louis: Mosby; 1998:57.

(8)

Freqüência

f₁ 2f₁ 3f₁

Energia

Tecido

Fundamental e Harmônicas

Imagem com Pulso Invertido

Reflexão linear

(9)

Tecido

Tecido + Sangue

2.5 MHz 2.5-MHz

transdutor

2.5 e 5 MHz

2.5-MHz transdutor

Harmonica e Filtro de Sinal

(10)

2 F₀ MHz

Imagem em segunda Harmônica

F₀ MHz

F₀ MHz (tecido)

Filtro

2 F₀MHz (contraste)

2 F₀ MHz

Imagem em Segunda Harmônica

Transdutor

(11)

Fundamental vs Harmonica Tecidual

Images courtesy of the Mayo Clinic and Acuson Corporation.

(12)

Foco e campos Ultra-sônicos

Area focal Elementos piezoelectricos Distancia

Focal

Distancia Focal

Ondas de Ultrasom produzidas _pelo

transdutor

Campo proximal:

• Melhores imagens

• Incidência perpendicular

Campo distal:

• Detecção difícil das estruturas

• Incidência oblíqua

(13)

Transdutores

Simples:

• pulsos alternados (M-Mode) Mecânicos:

• Um ou mais cristais

• Bom sinal

• Doppler limitado

• Problemas técnicos freqüentes Anulares:

• 2 cristais circulares

• Recepção e transmissão

(14)

Transdutores

Eletrônicos:

• Cristais em série

• Bom sinal e Doppler

• Problemas técnicos infrequentes

(15)

Transdutores

(16)

Unidimensional

(17)

Bidimensional

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

Bidimensional - Artefatos

ARTEFATO

Imagem inadequada

Sombra acústica

Reverberações

Refração

MECANISMO

Penetração pobre do Ultrassom

Reflexão por uma estrutura especular

Propriedade refletora Do ultrassom

Desvio do sinal do ultrassom

EXEMPLOS

Obesidade, DPOC

Prótese valvar, calcificação Prótese valvar

Dupla imagem

(23)

Artefatos - Sombra Acústica

(24)

Artefatos - Reverberação

(25)

Johann Christian Andreas Doppler

Físico Austríaco

29/11/1803 – 17/03/1853

Salzburg Viena

Sobre as Cores da Luz Emitida pelas Estrelas Duplas (Über das farbige Licht der Doppelsterne), 1842

Diretor do Instituto de Física e professor de Física Experimental

na Universidade de Viena.

(26)

“Efeito Doppler”

(27)

“Efeito Doppler”

(28)

“Efeito Doppler”

onde:

λ = comprimento de onda de uma onda sonora

c = velocidade do som no ar = 343 m/s a 20 °C (68 °F);

f = frequência da onda 1/s = Hz.

(29)

Equação Doppler

C = Velocidade do som no sangue Ft = Frequência do transdutor

Fs = Frequência refletida

Θ = Angulo entre o feixe de US e o Fluxo sanguínio

(30)

Modalidades

(31)

“Efeito Doppler”

(32)

Modalidades

Doopler Pulsátil

(33)

Modalidades

Doopler Pulsátil Doppler Contínuo Map. Fluxo em Côres

(34)

Modalidades

Doopler Pulsátil Tecidual

(35)

Equa Equa ç ç ão de ão de Bernoulli Bernoulli

Conversão de Velocidade em pressão

∆ P = 4V

²

Daniel Bernoulli, 1738

Daniel Bernoulli

Matemático Holandês

08/02/1700 – 17/03/1782

Groningen Basel

Ganhou mais de 10 Prêmios da academia de París

desde Temas sobre Magnetismo até Temas Náuticos

(36)

Equa Equa ç ç ão de ão de Bernoulli Bernoulli

Conversão de Velocidade em pressão

∆ P = 4V

²

Daniel Bernoulli, 1738Daniel Bernoulli, 1738

Aceleração conectiva

Componente Inercial Dissipação Viscosa

Para um Fluxo que é: 1) sem viscosidade (como o fluxo sanguínio é); 2) através de um

orifício restritivo (Componente inercial dispresível e; 3) com V1 >>> V2, reduzindo a

fórmula a:

∆ P = 4V

²

(37)

∆ P = 4V

²

∆ P = 4x5

²

= 100mmHg

Equa Equa ç ç ão de ão de Bernoulli Bernoulli

(38)

C C á á lculos de Fluxo lculos de Fluxo

X

π.r

²

(39)

–– ALBUNEXALBUNEX –– LevovistLevovist –– DefinityDefinity –– OptisonOptison –– PESDAPESDA –– AcusphereAcusphere –– BisphereBisphere

Prote Proteí ína na Sacar

Sacar í í deo deo Lipí Lip ídeo deo

Ar Ar Gá G ás s

Possuem

Possuem cinécinética semelhante a das hemtica semelhante a das hemááciascias

Princípios da Ecocardiografia Contrastada Agentes

Agentes de de Contraste Contraste

(40)

Refletor Refletor especular

especular Hem Hem ácias á cias reflexão

reflexão

atenua atenua ç ç ão ão refra

refra ç ç ão ão

Transdutores Transdutores

Princípios da Ecocardiografia Contrastada Imagem

Imagem em em Segunda Segunda Harmônica Harmônica

(41)

Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound.; 1998 Lindner JR et al J Am Soc Echocardiogr 15;(5):395-403, 2002.

Microbolhas estáveis e de tamanho adequado para passar pelos pequenos capilares pulmonares.

Princípios da Ecocardiografia Contrastada Reologia

Reologia das das Microbolhas Microbolhas

(42)

Hemácia 6-8 µm Microbolha

1-8 µm

Cheng et al. Am J Cardiol.1998;81:41G.

Princípios da Ecocardiografia Contrastada Reologia

Reologia das das Microbolhas Microbolhas

(43)

• Aumentam a reflexão do sinal provindo do sangue

• Ressona em frequências utilizadas para Ultra-som diagnóstico

Burns PN. Diagnostic Ultrasound. 2nd ed. St. Louis, Mo: Mosby; 1998:57-84.

Princípios da Ecocardiografia Contrastada Mecanismo

Mecanismo de de A A ç ç ão ão das das Microbolhas Microbolhas

(44)

Com Contraste

Princípio da Harmônica

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 2 4 6 8

Frequência (MHz)

Amplitude

Tecido Bolhas

(45)

Resonancia em Frequência Fundamental

“Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real”

Ressonância US Refletido Espectro Refletido

Linear ou IM < 0,2

de Jong et al. Ultrasonics. 1994;32:455.

f

₀

f

(46)

Baixa Energia - IM 0,1 Ressonância Linear

Sinal Fundamental Ressonância Não-Linear

Sinal Harmônico Sinal Transitório Sinal Harmônico Intenso

Energia Intermediária - IM 0,4 a 0,8

Alta Energia – IM > 0,8

Comportamento das Microbolhas no Campo US

Burns PN. Diagnostic Ultrasound. 2nd ed. St. Louis, Mo: Mosby; 1998:57-84.

(47)

Microbolhas e Harmônica

Espectro Refletido

f

₀

f

₀

2 f

₀

f

(48)

Harmônica e Filtro de Sinal

Sinal Refletido Sinal transformado em Imagem

(49)

KaulKaulS et al. CirculationS et al. Circulation 1997;96:45-1997;96:45-6060

9 9 Microbolhas Microbolhas possuem cin possuem cin é é tica tica semelhante a das hem

semelhante a das hem á á cias cias

9 9 Mé M étodo não todo não invasivo invasivo ideal de ideal de avalia

avalia ção da perfusão mioc ç ão da perfusão mioc á á rdica rdica

Marcador da microcirculação

(50)

9 9 Utiliza baixa energia ultra- Utiliza baixa energia ultra - sônica sônica

9 9 Avalia de forma simultânea a contra Avalia de forma simultânea a contra ção e perfusão mioc ç ão e perfusão miocá á rdica rdica 9 9 Identifica as Identifica as á á reas de infarto (sem perfusão) reas de infarto (sem perfusão)

9 9 Modalidades: Modalidades:

9 9 Pulsos com Energia Pulsos com Energia modulada modulada 9 9

Pulsos comPulsos com

invertida invertida

9 9 Cancelamento de pulso Cancelamento de pulso 9 9 “ “ Flash Flash ” ” com alto com alto í í ndice mecânico ndice mecânico

Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real

(51)

t t

₁₁

Time Time

A A B B

t t

₂₂

C C

t t

₃₃

E E

t t

₅₅

D D

t t

₄₄

KaulKaul et al. et al. CircCirc 1998; 97: 473-1998; 97: 473-483483

Interação US - Microbolha

Tempo para reperfusão

(52)

Wei et al Circulation 29;103(21):2560-5, 2001.

KaulKaulet al. et al. CirculationCirculation 97: 47397: 473--483, 1998.483, 1998.

t

A “IntensidadeAcústica”

Volume Sangüineo (A) Velocidade Média de fluxo (β)

Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica

em Tempo Real

(53)

KaulKaulet al. et al. CirculationCirculation 97: 47397: 473--483, 1998.483, 1998.

Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real Marcador de Perfusão Microvascular

• 33% do volume Miocádico é Sangue.

• 33% do volume Miocádico é Sangue

90% do Sangue Capilares

(54)

y (t) = A x (1 – e

^–β ^{x t}

)

KaulKaul et al. Circulationet al. Circulation 97: 473-97: 473-483, 1998.483, 1998.

Quantificação do Fluxo Miocárdico Absoluto em

Seres Humanos

(55)

Vogel R et al., J Am Coll Cardiol 45:754-762, 2005.

rBV x β

ρΤ

(A / A

_LV

x β) = ρΤ

ρΤ ^{= 1,05}

MBF (Basal) = 0,828 + 0,318 ml x min-1 x gr-1 MBF (Hiperemia) = 2,801 + 0,832 ml x min^-1 x gr^-1

Valores normais

Quantificação do Fluxo Miocárdico em Seres Humanos

=

FSM

(56)

2.02.0

1.51.5

1.01.0

0.50.5

0.00.0

0.00.0 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0

1.01.0 0.80.8

0.20.2

-0.2-0.2

- -0.60.6

0.00.0 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0 0.60.6

0.40.4

0.00.0

-0.4-0.4

MBF MBF _PET_PET [ml[ml^.^.minmin^-1.^-^1.gg^-1^-¹]] MBF MBF _PET_PET [ml[ml^.^.minmin^-1.^-^1.gg^-^-1¹]]

y=0.899x+0.079; r

y=0.899x+0.079; r²²=0.88=0.88 P<0.0001, SEE=0.112 P<0.0001, SEE=0.112

MBF MBF

MCEMCE

[ml[ml

.. minmin

--1.1. gg

--11 ]]

(MBF (MBF PETPET

--MBFMBF

MCEMCE

) [ml) [ml

.. minmin

--1.1. gg

--11 ]]

3030 Patients e 15 normaisPatients e 15 normais

Quantificação do Fluxo Miocárdico Absoluto em Seres Humanos

Vogel

Vogel R et alR et al. J Am . J Am Coll CardiolColl Cardiol; 2005: 45: 754; 2005: 45: 754--6262

(57)

Obrigado Obrigado

Princípios da Ecocardiografia Contrastada

(58)

Características das Ondas de US

Reflexão - Quando uma onda volta para a direção de onde veio, devido à batida em material reflexivo.

Refração - A mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio. A velocidade da onda varia, pelo que o comprimento de onda

também varia, mas a frequência permanece sempre igual, pois é característica da fonte emissora.

Difração - O espalhamento de ondas, por exemplo quando atravessam uma fenda de tamanho equivalente a seu comprimento de onda. Ondas com baixo comprimento de onda são facilmente difractadas.

Interferência - Adição das amplitudes de duas ondas que se superpõe.

Dispersão - a separação de uma onda em outras de diferentes freqüências.

Vibração - Algumas ondas são produzidas através da vibração de

objetos, produzindo sons. Exemplo: Cordas ( violão, violino, piano, etc.) ou Tubos (orgão, flauta, trompete, trombone, saxofone, etc.)