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Laboratorio de Acústica Ultrasonora Instituto de Física-Facultad de CienciasMontevideo Uruguay

--Interacción ondas ultrasónicas –materia--Transductores piezoeléctricos--Sensores ferroeléctricos--Fénomenos acústicos no lineales: cavitación, vorticidad, Campos intensos--Aplicaciones : caracterización de materiales sólidos, fluídos, Imaginería en medicina y control no destructivo, terapia en Medicina.

Ultrasound echography and elastography performancesin imaging applications

1-Basic physical aspects of ultrasound imaging in biological tissueWave equation with sources.Diffusion, reflection , refraction.Local variations of density, elasticity and absorption in biological tissues.

2- Ultrasound EchographyBeam shapes and focusingDiffraction laws and absorption laws.Focal resolution , lateral resolution and side lobes. Different solutionsAxial resolution with pulsed wavesSome physical limitations in echographic imaging

Some advantages of Ultrasound-Usually non invasive-No ionising radiation involves-machines are relatively inexpensive-installation is inexpensive-mobile-Real time-excellent temporal resolution-can access the patient during imaging-can be used to guide interventional-can be used to guide interventional procedures

Some disadvantages of ultrasound-Cannot penetrate gas-distorded by bone-subject to artefacts-can be used by untrained personnel

Propagation ultrasound in tissue-in soft tissues propagation is by means of longitudinal waves only-other modes of vibration may occur in bone-frequencies are usually between 2MHz and 10 MHZ , although fre-quencies of up to about 60 MHZ are being used in some applications

Se trata de reconstituir la carta de esas inhomogeneidades con la mayor precisión.Hay en teoria que invertir la ecuacion , muy complicado,

imposible dada la presencia de p en el termino fuente Inhomegeneidades débilmente perturbadoras(aproximación

de Born): tejidos biológicos. Así se puede desacoplar completamente el efecto de cada inhomegeneidad sobre el campo difractado.

Principios físicos de la imaginería ultrasónica

),,,(),( αχρ ΔΔΔ= pStrpcon 2

2

2 .1tc ∂∂

−Δ=

Ec. de ondas con fuentes

),().(),,,(0

001

0

10

trprSppSpp

ppp

=ΔΔΔ===

+=

αχρ

--Pequeña inhomogeneidad de densidad: dipolo acústico análogo a dipolo eléctrico oscilante

--Inhomogeneidad de elasticidad: monopolo acústicoComo una esfera pulsante, intensidad depende de la aceleraciónradial (derivada segunda de la presión)

Diagrama de radiación muy directivo según el eje del dipoloFuerza igual a gradiente de la presión acústica

--Variaciones de la absorción: membrana pulsantediagrama de radiación complejo, pero débil en general

Fuentes acústicas

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∇

Δ=

02

2

02

0

..1),(.χχ

ρρ

dtpd

Ctrpgradp

Rol de la absorción es pobre en difusión pero importante su acción sobre p0 onda incidente-Fluctuaciones de densidad comportamiento anisótropo

-Fluctuaciones de elasticidad comportamiento isótropo

Si el medio es débilemente inhómogeneo ( Born, difusión simple)las radiaciones dipolares y monopolares se combinan de tal formaque la energía retrodifundida solo proviene de las fluctuaciones dela impedancia

χρ

Z= = cρ

--La energía difundida hacia adelante depende de las fluctuaciones dede la velocidad

ρχ1

=c refracción

--La energía difundida en ángulo recto depende de las fluctuacionesde χ

Encontramos entonces las leyes bien conocidas de reflexión:

2

12

12⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=ZZZZR

Decodificación de las ondas esféricas que engendra el campo difrac-tado la elección del tipo de decodage depende de numerosos factores:

- posición de detectores relativos al transductor emisor:imaginería por transmisión, o por reflexion ecografia.

- código temporal de insonorisación acustica p0: señales breves,señales monocromaticas.

- código espacial de insonorisación acustica p0 : insonorizar todo el objeto en un tiro, solo una parte (plano,linea, punto). A más selec-tividad espacial mayor resolución en las imágenes pero mas tiempo de adquisición.

Se puede clasificar los procedimientos usuales de imaginería ultrasónica hasta la actualidad :

--Análogos a los de óptica: lentes, holografia

--Tipicas ultrasónicas: ecografía sea secuencial (línea por línea),para-lelas utilizando numerosos receptores .

-- Reconstrucción digital tomográfica (análogas a Scanner Rayos X), pero con ultrasonido pudiendo trabajar sea en transmisión sea en modoecográfico.

B-mode image formation

A-scans:echo position and size-echo position depends on: -the time of fligth of then pulse .This is dictated by both distance and velocity.-echo sizes dependent on:-the difference in acoustic impedance at each interface-the attenuation between the interface and transducer *2-the processing of the returned echoes

Ecografia--Elegir el mismo plano de recepción que el de transmisión, insonorisando con señales muy breves. Así se dispone de una información suplementaria : el tiempo de llegada : t = 2z/c, z distancia al blanco, c velocidad del sonido

Some recents developments in pulse echo techniques

-1.5 D transducers-dynamic transmit focussing -coded excitation (TRM)-tissue harmonic imaging-spatial compounding-frequency compounding-panoramic imaging-synthetic aperture imaging-Constrast agents-3-D imaging-adaptative (spatial) filtering

Frequency compounding

-echoes obtained using different ultrasonic frequencies have different patterns of interferences (speckle)-summing signals after detection results in a reduction inSpeckle relative to signals , which leads to increased contrast

Z2

Z3

Z1

Z=ρC Pequeñas diferencias de impedancia entre diferentestejidos biológicos

C=1530 m/s velocidad del sonidoFluctuaciones 4% salvo aire y huesoAtenuación en tejidos limita profundidad y es:

12ZΔ23ZΔ

βωωα =)(

Parámetros importantes

--Resolución axial: depende del ancho de banda de excitación

2/tcz Δ=Δ

Resoluciónlateral según x

Resoluciónaxial según z

--Resolución lateral: depende de la geometría

)/( DFx λ=Δ

--Profundidad de campo: depende de geometría -electrónica2)/(7 DFz λ=Δ

D

Anillos FresnelAnillos BesselArrays con retardos

--Atenuación: depende del medio , cambia el espectro , lo correhacia las bajas frecuencias ( filtro pasabajo), limita profundidad

--”Speckle”: depende del medio, interferencias constructivasde difusores de tamaño menores que el largo de onda us

Resúmen de problemas, soluciones y limitaciones de la ecografía us.

--Resolución axial: pulsos breves y transductores bien amortiguados

--Resolución lateral: límite dado por la difracción, soluciones por geometría, nuevos transductores (composites 1-3 ) y/o electrónica.

--Profundidad de campo: idem

--Atenuación:limita sensibilidad , solucíón mejor adaptación (1-3, elec-trónica),multifrecuencias.

--”Speckle”: limita resolución en imágenes, soluciones tipo composición espacial, inversión temporal.

--Alternativas actuales: caracterización de tejidos, elastografía .

ULTRASONIDO EN MEDICINA

-Conceptos generales

-Transductores piezoeléctricos

-Física de la interacción tejido biológico-ultrasonido

-Electrónica

-Tratamiento de señales

-Tratamiento de imágenes

-Ecografía , Elastografía, Tomografía ......

Conceptos generales

-Rango de frecuencias : 20 KHz a 2 GHz

-Difracción. Atenuación. Dispersión.

-Aplicaciones:--Materiales: todo el rango de frecuencias--Prospección submarina: de 20 KHz a 150 KHz--Microscopía acústica: GHz--Diagnóstico clínico en medicina: 0.5 MHz a 80MHz,

Ventajas: 3D real en volumen real, inocuo, bajo costo relativo

Transductores piezoeléctricos: cerámicas tipo PZT

Modos de vibración

Piezocomposites

Parámetros importantes

Propiedades dieléctricas de los transductores piezoeléctricos

• Constante dieléctrica relativa: (T cte.) • Constante dieléctrica relativa: (S cte.) • Pérdidas dieléctricas:

•Propiedades electromecánicas •Frecuencia de resonancia eléctrica • Frecuencia de antiresonancia eléctrica

•Propiedades piezoeléctricas

•Coeficiente de acoplamiento electromecánico

Propiedades acústicas

-Velocidades longitudinal y transversal -Impedancia acústica Respuesta acusto-eléctrica -Factor de calidad acústico

PiezoelectricidadAlta densidadAlta impedanciaacústica

Propiedades

Cerámicaspiezoeléctricas

FlexibilidadBaja densidadBaja impedanciaacústica

Propiedades

Polímero

Compositespiezoeléctricos

Transductores piezocomposites: bien adaptados en impedancia para diagnóstico clínico

0,0 5,0x105 1,0x106 1,5x106 2,0x106

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

Armónico delmodo fundamental

Admtancia y Fase de cerámica 11 %

Frecuencia (Hz)

Adm

itanc

ia (m

S)

Admitancia

-20

0

20

40

60

80

100Fase (grados)

Fase

CaracterizaciónEléctrica de los Transductores piezoeléctricos

Caracterizaciónde emisión acústica de transductores piezoeléctricos paraultrasonido