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 osoasa2

3

Etapele ecografiei

Ultrasunete Semnal electric Imagine diagnostica

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 unorunde cu frecventa > 18kHz (superioara limitei de perceptiei a urechii umane )

4

Ultrasunetele (US)

Particulele oscileaza in jurul unei pozitii de echilibru, apropiindu-se si distantindu-se de cele vecine→ Unda se propaga din aproape in aproape–in lungul directieide deplasare (de unde numele de unde longitudinale)

Apropierea si distantarea dintre particule creaza zone de presiune maxima sipresiune minima dispuse alternativ.

5

Efectul piezoelectricSta la baza conversiei reciproce a energieielectrice in energie mecanica (ultrasunete)

Piezein(gr.) = presiune

Efectul piezoelectric direct (1)reprezintaaparitia unui diferente de potential electric intre cele 2 suprafete ale unui cristal atuncicind acesta este supus unei deformarimecanice

Efectul piezoelectric invers (2) = aparitiaunei deformari mecanice a unui cristal supusunei tensiuni electrice

6

titanat de bariu;zirconat de plumb ; fluorura de poliviniliden

1 2

TRADUCTORUL

7

Dispozitiv :care converteste energia electrica in mecanica si invers

prin efectul piezoelectric emite si primeste US prin stimularea cristalelor

piezoelectrice

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 uneiparticule pentru descrierea unei oscilatiicomplete in jurul pozitiei de echilibru

Fecventa (F)= numarul de oscilatii/secunda =Herz

F=1/T Hz=1/s

Amplitudinea (A) = valoarea absoluta a distanteimaxime 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 maximesau dintre 2 puncte succesive aflate in aceeasifaza

Viteza ultrasunetelor (c ) = distanta parcursa de unda in unitatea de timp

9C[m/s]=F[Hz]x λ [m]

Frecventa diagnostica3 -20 MHz

Generarea ultrasunetelorTraductorul, prin intermediul cristalelorpiezoelectrice, 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 numesteLungime 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=1-5kHz10

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 asteaptaecoul 99μsLSP=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

12

Ariafascicul

US

Energia acustica-

determina oscilatia

particulelor din mediul

strabatut [W]

Puterea acustica-

fluxul de energie

acustica /secunda

[W/s]

Intensitatea acustica

= energia

undei/suprafata

strabatuta=W/cm2

Energia, puterea si

intensitatea acustica

determina calitatea imaginii finale

Caracteristicile fizice ale us

Comportarea US in tesuturi

• US pierd din intensitate odata cu inaintarea in tesut = se ATENUEAZA

• Atenuarea = DF• D= distanta , F= frecventa US, coeficientul de atenuare al mediului

13

Factori ce contribuie la atenuare:Absorbtia -80% Reflexia -10%RefractiaDifractiaDispersiaInterferenta

Contribuie majoritar la formarea imaginii

Reflexia + Absorbtia + Transmisia

Depind de proprietatile mediuluistrabatut

14

dB P finala

−30 dB1/1000 = 0.001

−20 dB1/100 = 0.01

−10 dB 1/10 = 0.1

−3 dB1/2 = 0.5 (aprox.)

3 dB 2 (aprox.)

10 dB 10

20 dB 100

30 dB 1000

Tesutα(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

A= DF

α – coeficient de atenuare al US

Practic, pentruF=10MHz,

la 1cm de transductor , puterea semnalului estede 10x mai mica ,

la 2 cm de 100x, la 4 cm de 10 000 x ….O reprezentare

matematica usoara estefacilitata de masurareadiferentei in decibeli – dB

dB=10 x log10(P1/P0)P0-puterea intialaP1-puterea finala

Atenuarea US in tesuturi

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

15

c si Z Determina comportarea US in tesuturi

• Impedanta acustica Z – rezistenta mediului la propagarea sunetelor

• Z= c x ρ [rayl=kg/m2 x m/s]

/Ec

Comportarea US in corpul uman

Se propaga liniar (similar cu un fascicul luminos)

Interfata =Suprafata dintre2 medii cu impedanteacustice (Z) diferite

16

Reflexia : intoarcea undei in mediul din care provine dupa intilnirea unei interfetecu suprafata neteda si dimensiunea > λ

Sta la baza formarii ecoului – a imaginiiecografice

Reflexie speculara=“lucioasa”Specular(eng)= lucios

Comportarea US in corpul uman

Pentru reflectori cu dimensiuni >λ:

Z grasime≈Ztendon →are loc transmisia in tesuturile profunde →se formeaza imagine dincolode interfata

Z os >> Z parti moi –reflexie totala a US spretraductor→structurile de dincolo de interfata nu mai apar pe imagine

17

Coeficient de intensitate al reflexiei

Coeficientul de Intensitate al transmisiei

Reflectori cu Dimensiuni >λ

Comportarea US in corpul uman

18

1.Dispersia fasciculului de US = imprastiereaUS sub forma de ecouri dezordonate de joasa amplitudine,atunci cind fascicululintilneste reflectori nespeculari (neluciosi) caracterizati prin suprafata neregulata sidimensiuni <λ

2.Difuzia = preluarea de catre unele particulea unei cantitati din energia incidenta sireemiterea ei in toate directiile sub forma de unde sferice (particula ≤λ )

3.Interferenta = rezultatul actiunii simultanea 2 sau mai multe unde asupra aceleiasiparticule din mediul de transmisie, cu sumarea (interferenta constructiva)saureducerea lor (interferenta distructiva)

Cele 3 fenomene contribuie la formareaecotexturii tesuturilor

19

Comportarea US in corpul uman

InterferentaTextura tesutului

Difuzia

Dispersia

dimensiuni <λ

20

Difuzie

InterferentaTextura tesutului

Viteza US prin tesuturi

Tesut Frecventa traductor MHz Viteza m/s

Piele 20 1642 pe sin

1570 pe faţa

Grasime 2 1446

Muschi 10 1557 pe axa lunga

1550 pe axa scurta

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

21

+3 m/s in contractie

Anizotropia= proprietati diferite pe directii diferite

Fasciculul de US

La aplicarea unui stimul electric asupra unui traductor se emit un manunchi de unde US denumit fascicul

Grosimea fascicului este neuniforma

Determinata de geometria transductorului

22

Traductor

23

Traductorul – geometrie

Traductorul liniarCompus din 120-240 elementerectangulare 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 rezultantdenumita linie de scanare , corespundeelementului central al grupului

Dupa receptarea si stocarea ecourilor de catre primul element, urmeaza activareaelementului adiacent– linia de scanare se deplaseaza pe latimea traductorului

Astfel unda matura tot cimpul de vedererectangular al traductorului

Cimp de vedere = zona scanata de transductor

24

Traductor fazat - phased arrayTraductorul 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 intirzierecontrolati pentru fiecare element

Prin varierea intirzierilor de la o secventa la alta , fasciculul matura un cimp de vederesectorial

Ajustarea timpilor de intirziere focalizeaza fasciculul in planul imaginii

Focalizarea pe grosime - cu lentile acustice

25Schimba directia si adincimea focarului

26

Fasciculul de ultrasunetePrincipiul lui Huygens

Christian Huygens, 1629-1695 matematician siastronom olandez

Suprafata unei surse radiante poate ficonsiderata ca fiind alcatuita din numeroase surse punctiforme

Undele sferice emise de fiecare sursainterfera si formeaza un front de undaplan

Transductorul liniar : fascicul ingust usorconvergent la nivelul zonei apropiate

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

27

Fasciculul de ultrasunete

Fascicul primar – importanta diagnostica

Fascicule

secundare

“ lobi laterali”

Fascicule

secundare

“ lobi laterali”

Zone de presiune maxima –rosuZone de presiune minima – albastruZona diagnostica = zona rosu-galben

Fascicul rezultat prin emisia simultana a 10-12 elemente piezoelectrice

28

Lob lateralT

r

a

d

u

c

t

o

r

Zona Fresneldiagnostica

Lf=D2/4λD= diametrul cristalelor din transductor

Lf= lungimea zonei Fresnel

Zona focala –de maxima presiune si

maxima intensitate a fasciculului

ZonaFraunhoferSinθ=1,22λ/

DFascicul

divergent -nediagnostic

Diametrulmaterialuluipiezoelectric

mare—fasciculgros+ zona

Fresnel lunga

Fascicul rezultat prin emisia simultana a 10-12 elemente piezoelectrice

29

FocalizareaProcesul 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 intirziereasemnalelor emise

Focalizare electronica prin intirziereasemnalelor primite

30

Focalizarea

Focalizarea cu lentila acusticaeste posibila doarperpendicular pe planulimaginii

Focalizarea electronica esteposibila atit in planulimaginii cit si perpendicular pe acesta

Focalizarea :• scurteaza zonaapropiata si zonafocala• creste divergentafasciculului in zonadepartata

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

• Distanta focala ≈ diametrul curburii lentilei• Lentila acustica a traductorilor liniari

focalizeaza fasciculul doar intr-un plan perpendicular pe cel al imaginii =scadegrosimea sectiunii

31

•Focalizarea scurteaza zonaapropiata si creste divergentafasciculului in zona departata

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

32

Apertura dinamicafoloseste

tot mai multi elementi pentrua deplasa focarul

spre adincime

Focare multiple

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

Frecventa centrala/dominanta in latimea de banda cu utilitate maxima in generarea

imaginii US =Frecventa Nominala a transductorului

Traductorul : frecventa si latimea de banda

33

Latimea de banda ~ calitatea imaginii

Formarea imaginii

Computerul formeaza imaginea dupaurmatoarele 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

V = 2d / t

Pozitia

35

Considerata constanta=1540m/s

Distanta parcursa de semnalpina la interfata si inapoi estecalculata in functie de timpulscurs de la emisia pina la receptia acestuia

Viteza sunetului prin tesuturi

Reprezentarea grafica a informatiei

Mod Amplitude Brightness Motion

Modul A – traducerea in grafic a ecourilorreflectate in functie de amplitudine siadincimea lor (oftalmologie)

Modul M - modularea pozitiei in functie de timp – examinare dinamica – miscareastructurilor pe directia aleasa de traductor(ecocardiografie)

36

Modul BBrightness - Stralucire

Imagini bidimensionale

Fiecare ecou al unei linii de informatie ultrasonora devineun punct luminos pe ecran

Stralucirea punctului estedirect proportionala cu amplitudinea semnalului

37

Examinarea in timp real

•Elementele transductoruluigenereaza 20-60 imagini/s → film al structurilor examinate

Modul B

38

Imagine finala pe ecran

Formarea liniilor de informatie ultrasonora

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 timpdatorita distantelor dintre interfetele care le-au generat

Distanta cm Timp s

Amplitudinea impulsuslui electric ~ intensitateaecoului

Amplitudinea ecoului scade cu distanta

39

Tehnici de preprocesare

TGC

Zoom la achizitie

Compresia logaritmica

Umplerea prin interpolare

Amplificarea marginilor

Actualizarea imaginii

40

41

TGCAtenuarea= x Distanţa x Frecvenţa

Atenuarea este direct proportională cu distanta si frecventaNecesită TGC (time gain compensator =

compensarea atenuarii in functie de timp )care creste intensitatea ecourilor profunde

pentru a produce o scara de gri uniformă

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 acesteamai pot fi deosebite/aparseparat pe imagine

In functie de planurilefasciculului de US

→Axiala/Laterala/Elevationala

45

46

Rezolutia spatiala

Calitatile materialelor piezoelectrice:

Pentru o rezolutie buna a imaginii se utilizeaza impulsuri foarte scurte de US

Rezolutia spatiala ideala =λ-se obtinecind la 1 impuls electric se emite 1 undacare tine 1 perioada

Practic se obtin unde cu durata = 2-3 perioade si amplitudine rapid descrescinda

Pixeli mici = detalii multe

47

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

Rezolutia axiala

RS perpendiculara pe directiafascicolului

Pentru un singur element RL depindede grosimea fasciculului=fasciculultrebuie sa fie mai ingust ca distantadintre reflectori

Focalizarea laterala -creste RL in zonaapropiata si o scade in cea departatadatorita divergentei fasciculului

In modul B- RL depinde si de numarulde linii de scanare

Fasciculele trapezoidale – RL scade cu distanta (divergenta)

RL creste cu frecventa sunetului, numarul liniilor de scanare, focalizarealaterala

48

Rezolutia laterala

Rezolutia de Contrast

Capacitatea instrumentului de a discrimina intre 2 ecouri cu intensitatifoarte apropiate

US sufera o atenuare importanta in organism (apare o diferenta de 90dB intre cel mai tare sicel mai slab ecou)= 10 9 nivele de gri→depasirea capacitatii de afisare pe ecran

Sistemul scarii de gri : ecourile slabe sintamplificate selectiv in detrimentul celortari,care sint comprimate

128-256 -512 nivele de gri –afiseaza datelesemnificative clinic

Ochiul uman distinge 14-20 nivele de gri

49

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

SA,SB intensitatile semnalelor din tesuturile alaturate A si B

A B

Rezolutia Temporala

Intervalul de timp minim la care 2 evenimente mai pot fi perceputeseparat

Eco in timp real : frecventa de afisare a imaginilor = 20-60imagini/s

Frecventa imaginii ~ 1/(nr de linii de pe imagine ; profunzimea imaginii )

50

Limita rezolutiei temporalePenetratia (cm) x NFxNLIx FI ≤ 77 000 (= 154000cm/s /2)

NFxNLIxFI=PRF[FRP] frecv de repetitie a pulsuluiFI-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

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

53

Conturul unei regiuni inchiseAnaliza matematica a valorilor din zona de interes

Definirea regiunii de interes -ROI

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

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)

54

Algoritmi de examinareCompound imaging(sono CT)Extended fild of viewSteered based imagingReconstrucţie 3 DElastografiaUnde armoniceColor power Doppler

55