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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