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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: SonidoEl sonido es una vibración mecánica en un
medio físico tal como el aire o el agua.
El sonido puede ser clasificado en infrasonido,
sonido audible o ultrasonido de acuerdo a la
frecuencia o rapidez de la vibración mecánica.
Las ondas generadas pueden ser transversales
(sólidos) o longitudinales (aire, líquidos y
sólidos).
Es originada por oscilaciones de partículas que
provocan compresiones y descompresiones.
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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
t
Período
x
λ
f=1/T=1-10MHz
Presión local en un punto
Presión local en la dirección del frente de onda
Velocidad del US (c) = longitud de onda (λ) x frecuencia (f)
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Ultrasonido
t
Duración del pulso
Tpo. Transmisión Tpo. Escucha
Periodo de repetición del pulso
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.
2
12
12
+−
==zz
zz
I
Ireflexióndeecoeficient
incidente
reflejada
cZ
smnpropagaciódevelocidadxm
Kgdensidadraylimpedancia
.
)/()()( 3
ρ=
=
2
12
121
+−
=−=zz
zz
I
Intransmisiódeecoeficient
incidente
reflejada
1 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]
Longitud de Onda
[mm]
Coef.de Atenuación
[dB/cm]
Prof. de Imagen
[cm]
2,0 0,77 1,0 303,5 0,44 1,8 175,0 0,31 2,5 127,5 0,21 3,8 810,0 0,15 5,0 6
Ultrasonido
Recorrido de un pulso
Long.Esp. del Pulso Para la ecografía, las
propiedades más relevantes son la Reflexión y la Dispersión.
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Ultrasonido
Tiempo y Distancia
La ecografía calcula las distancias a partir del tiempode arribo del eco.
2
.
2
ctdx ==
Donde:x: profundidad del eco.d: distancia recorrida por la onda.t: intervalo de tiempoc: 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 tejidosS u stan c ia c
[m /s]ρρρρ
[g /cm 3 ]
Z
[g /cm2s]
A gua 1492 0 .9 982 1 .489x10 5
A ire 331 0 .0 013 0 .0 0043 x 10 5
M úscu lo 1568 1 .04 1 .63 x10 5
H ígado 1570 1 .05 1 .66 x10 5
G ra sa 1470 0 .97 1 .42 x10 5
H ueso 3360 1 .85 6 .2 x10 5
Debido a que el cálculo utiliza la velocidad depropagación, 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.
MatrialBacking
Cristal
Conductores
Acoplamiento
Transductores de US.
Estructura. Cristal
• Cristal Piezoeléctrico– Energía Eléctrica ⇔Mecánica.
– Materiales naturales y artificiales.
– 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).
Excitación
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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.
Campo cercano ozona de Fresnel
Campo lejano o zona de Fraunhofer
L
θ
Transductores de US.
Haz de US-Diámetro
L1
L2
θ1
θ2
Ventanas pequeñas
Mayor profundidad.
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Transductores de US.
Haz de US - Frecuencia
L1
L2
L3
θ1
θ2
θ3
– Mayor frecuencia:• Mejor resolución.
• Mejores características del haz.
• Menor penetración.(determinante)
– 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.
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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.
Oscilante
Tipos de Barrido
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Transductores de US.
Enfoque
Lenteacústica
Zona Focal
• Consiste en concentrar el haz disminuyendo su diámetro y mejorando la resolución lateral.
• Tipos de enfoque:– Lentes acústicas.
– Enfoque electrónicopor variaciónde fase.
Transductores de US.
Enfoque electrónico.• Emisión multifocal.
• Enfoque dinámico de recepción.
ΣRetardos
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Transductores de US.
Tipos
Enfoque BarridoTipo de Transductor
Lente Acústica Variación de
Fase
Mecánico Secuenciado Variación de
Fase
Mecánico X X
Arreglo Lineal
Secuenciado
X
Arreglo Curvo
Secuenciado
X
Arreglo Lineal de
Fase
X X
Arreglo Curvo de
Fase
X X
Arreglo de Fase X X
Arreglo Vectorial X X X
Arreglo Anular X X
Transductores de US.
Tipos
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Ecógrafo
ReceptorConversorAnalógico Digital
BufferTemporal
Convertidor Digit. de Barrido
(DSC)
Memoria de Pantalla
Post-procesado
Cineloop
Monitor
Pulser
Control Central
Transductory Conform. del haz
Almacenamiento
Analógico o Digital
Ecógrafo
Receptor
• Cinco operaciones básicas:– Amplificación.
– Compensación.
– Compresión.
– Demodulación.
– Rechazo.
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Ecógrafo
Convertidor Digital de Barrido
Convertidor Digital de Barrido
(Transformación Geométrica)
Buffer Memoria de Imagen
Líneas de Barrido
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)Modos:
AAmplitude
BBrightness
MMotion
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:
[ ] [ ] 000.77≤NFxNLBxHzFCxcmP
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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
θcos...2 vc
FoFd =
Donde: Fd:variación de frecuencia.Fo: frecuencia de emisión.c: velocidad de propagación. 1540m/sv: velocidad del flujo. (VARIABLE DE INTERES)θ: ángulo de insonación.
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Ecodoppler
Instrumentación Doppler
Ecodoppler EspectralContinuo
Ecodoppler EspectralPulsado
CW PW
Ecodoppler Color
Color y de Potencia
Ecodoppler Espectral
Demodulador Coherente
Mx Filtro
PasabajosSeñal
de Eco
Oscilador
Señal Doppler
DC
f
O(f)
f
Eco(f)
f
M(f) FPB
SDop(f)
f
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Ecodoppler Espectral
Demod.Fase Cuadratura
DFQ
DC
DC
Osc
Eco
90º
I
Q
+90º
+90º
Σ
Σ
Señal Inversa(SI)
Señal directa(SD)
SD+(SI-90º)
SI+(SD-90º)
(SD+90º)+SI
(SI+90º)+SD
Ecodoppler Espectral Continuo
t
Tx
t
Rx
Tx Rx
AmplificadorTransmisión
AmplificaciónRecepción
Oscilador
DFQ +Funciones
AnálisisEspectral
SD
SI
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Ecodoppler Espectral Pulsado
AmplificadorTransmisión
AmplificaciónRecepción
Oscilador
DFQ +Funciones
AnálisisEspectral
SD
SI
t
T
t
R
T/R
PuertaPRF
PuertaPRF
PRF
Ecodoppler Espectral
Análisis Espectral
SD
SI
SD o SI
Transf.de
Fourier
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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.
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Ecodoppler Color
Autocorrelador
DFQ
I(t)
t
Q(t)
tT
T 2T
2T 3T 4T
3T 4TI
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
0 T
2T 3T
4T
valproporcionesf
f.2.TW
d
dd π==∆Φ
Ecodoppler Color
Autocorrelador
Multiplicador
Complejo
Retardo T
Retardo T
Estimación del Promedio, Varianza y Amplitud.
cos(Wd.t)
sen(Wd.t)sen(Wd.T)
cos(Wd.T)
Media
Var
Signo
I
Q
Autocorrelador
Amp
DFQ
Se calculan porcada volumen de muestra
•Ecodoppler Color Convencional (C).
•Media.•Signo.•Varianza (a veces)
•Ecodoppler Color de potencia (PD).
•Amplitud (Cantidad dede partículas en movimiento)
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Ecodoppler Color
Ventana de color
Codificaciónde Color
Modo B
Transductor
Ecodoppler Color
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Ecodoppler de Potencia
Ecodoppler Color
Codificaciones
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Ecodoppler-ComparacionesTÉCNICA VENTAJAS DESVENTAJASEcodoppler Espectral
• Continuo • Brinda distribución de velocidades de los glóbulosrojos.
• Permite determinar velocidades máximas, mínimasy promedio.
• Presenta la variación temporal del flujo.• Puede medir altas velocidades.
• No tiene información deprofundidad.
• Pulsado • Brinda distribución de velocidades de los glóbulosrojos.
• Permite determinar velocidades máximas, mínimasy promedio.
• Presenta la variación temporal del flujo.• El volumen de muestra puede definirse a diferentes
profundidades
• La velocidad máxima estálimitada por la profundidad.
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.
• No realiza unacaracterización completadel flujo.
• Modo de potencia (Power Mode)
• Brinda una distribución espacial de las partículasen movimiento.
• Determina presencia de flujo.
• No permite evaluar ningunacaracterística del flujo.(Sólo presencia)
Ecodoppler
Equipo Completo
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Ejemplos