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Princípios Físicos do US

Wilson Mathias Jr

Diretor, Ecocardiografia

Instituto do Coração - InCor

Universidade de São Paulo

Princípios da Ecocardiografia

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.

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

Transdutores

Cristal

Lente

Material absorvente

Cristal piezoelétrico:

• Titanium ou cerâmica• Gera e recebe ondas de ultrassom • Imagem: tempo de transmissão e reflexão

Transdutores

Refletor Refletor especularespecular

ReflexãoReflexão

AtenuaAtenuaççãoão

RefraRefraççãoão

Transdutor

Princípios da Ecocardiografia

DifraDifraççãoão

DisperDisperççãoão

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

Freqüência

f1 2f1 3f1

Ene

rgia

Tecido

Fundamental e Harmônicas

Imagem com Pulso InvertidoReflexão linear

Tecido

Tecido + Sangue

2.5 MHz

2.5-MHztransdutor


2.5 e 5 MHz

2.5-MHztransdutor

Harmonica e Filtro de Sinal

2 F0 MHz Imagem em segunda

Harmônica

F0 MHz

F0 MHz(tecido)

Filtro

2 F0 MHz(contraste)

2 F0 MHz

Imagem em Segunda HarmônicaTransdutor

Fundamental vs Harmonica Tecidual

Images courtesy of the Mayo Clinic and Acuson Corporation.

Foco e campos Ultra-sônicos

Area focal

ElementospiezoelectricosDistancia

Focal

DistanciaFocal

Ondas de Ultrasom

produzidas pelotransdutor

Campo proximal:• Melhores imagens• Incidência perpendicular

Campo distal:• Detecção difícil das estruturas• Incidência oblíqua

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

Transdutores

Eletrônicos:• Cristais em série• Bom sinal e Doppler• Problemas técnicos infrequentes

Transdutores

Unidimensional

Bidimensional

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

Artefatos - Sombra Acústica

Artefatos - Reverberação

Johann Christian Andreas Doppler

Físico Austríaco

29/11/1803 – 17/03/1853Salzburg Viena

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

Diretor do Instituto de Físicae professor de Física Experimental

na Universidade de Viena.

“Efeito Doppler”


onde:λ = comprimento de onda de uma onda sonorac = velocidade do som no ar = 343 m/s a 20 °C (68 °F); f = frequência da onda 1/s = Hz.

Equação Doppler

C = Velocidade do som no sangueFt = Frequência do transdutorFs = Frequência refletidaΘ = Angulo entre o feixe de US e o Fluxo sanguínio

Modalidades

Modalidades

Doopler Pulsátil

Modalidades

Doopler Pulsátil Doppler Contínuo Map. Fluxo em Côres

Modalidades

Doopler Pulsátil Tecidual

EquaEquaçção de ão de BernoulliBernoulli

Conversão de Velocidade em pressão

∆ P = 4V2

Daniel Bernoulli, 1738

Daniel Bernoulli

Matemático Holandês

08/02/1700 – 17/03/1782Groningen Basel

Ganhou mais de 10 Prêmios da academia de Parísdesde Temas sobre Magnetismo até Temas Náuticos


Conversão de Velocidade em pressão

∆ P = 4V2

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 umorifício restritivo (Componente inercial

dispresível e; 3) com V1 >>> V2, reduzindo a fórmula a:

∆ P = 4V2

∆ P = 4V2

∆ P = 4x52 = 100mmHg


CCáálculos de Fluxolculos de Fluxo

X

X

π.r 2

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

ProteProteíínanaSacarSacaríídeodeoLipLipíídeodeo

ArArGGááss

PossuemPossuem cincinéética semelhante a das hemtica semelhante a das hemááciascias

Princípios da Ecocardiografia ContrastadaAgentesAgentes de de ContrasteContraste

Refletor Refletor especularespecular HemHemááciascias

reflexãoreflexão

atenuaatenuaççãoãorefrarefraççãoão

TransdutoresTransdutores

Princípios da Ecocardiografia ContrastadaImagemImagem emem SegundaSegunda HarmônicaHarmônica

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

Microbolhas estáveis e de tamanho adequado para passar pelos pequenoscapilares pulmonares.

Princípios da Ecocardiografia ContrastadaReologiaReologia das das MicrobolhasMicrobolhas

Hemácia6-8 µm

Microbolha1-8 µm

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

Princípios da Ecocardiografia ContrastadaReologiaReologia das das MicrobolhasMicrobolhas

• Aumentam a reflexão do sinalprovindo do sangue

• Ressona em frequênciasutilizadas para Ultra-somdiagnóstico

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

Princípios da Ecocardiografia ContrastadaMecanismoMecanismo de de AAççãoão das das MicrobolhasMicrobolhas

Com Contraste

Princípio da Harmônica

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8

Frequência (MHz)

Am

plitu

de TecidoBolhas

Resonancia em Frequência Fundamental“Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica

em Tempo Real”

Ressonância US Refletido Espectro Refletido

Linear ou IM < 0,2

Burns. In: Rumack et al, eds. Diagnostic Ultrasound. Vol 1. 2nd ed. St. Louis: Mosby; 1998:57. de Jong et al. Ultrasonics. 1994;32:455.

ff0

Baixa Energia - IM 0,1

Ressonância LinearSinal Fundamental

Ressonância Não-LinearSinal Harmônico

Sinal TransitórioSinal 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.

Microbolhas e HarmônicaEspectro Refletido

ff0

ff0 2 f0

Harmônica e Filtro de SinalSinal Refletido Sinal transformado

em Imagem


KaulKaul S et al. S et al. CirculationCirculation 1997;96:451997;96:45--6060

MicrobolhasMicrobolhas possuem cinpossuem cinéética tica semelhante a das hemsemelhante a das hemááciascias

MMéétodo não todo não invasivoinvasivo ideal de ideal de avaliaavaliaçção da perfusão miocão da perfusão miocáárdicardica

Marcador da microcirculação

Utiliza baixa energia ultraUtiliza baixa energia ultra--sônica sônica

Avalia de forma simultânea a contraAvalia de forma simultânea a contraçção e perfusão miocão e perfusão miocáárdicardica

Identifica as Identifica as ááreas de infarto (sem perfusão)reas de infarto (sem perfusão)

Modalidades: Modalidades: Pulsos com EnergiaPulsos com Energia moduladamoduladaPulsos comPulsos com invertidainvertidaCancelamento de pulsoCancelamento de pulso

““FlashFlash”” com alto com alto ííndice mecânicondice mecânico

Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo Real

tt11TimeTime

AA BB

tt22

CC

tt33

EE

tt55

DD

tt44

KaulKaul et al. et al. CircCirc 1998; 97: 4731998; 97: 473--483483

Interação US - MicrobolhaTempo para reperfusão

Wei et al Circulation 29;103(21):2560-5, 2001.KaulKaul et al. et al. CirculationCirculation 97: 47397: 473--483, 1998.483, 1998.

t

A“I

nten

sida

deA

cúst

ica”

Volume Sangüineo (A)

Velocidade Média de fluxo (β)

Ecocardiografia com Perfusão Miocárdicaem Tempo Real


Ecocardiografia com Perfusão Miocárdica em Tempo RealMarcador de Perfusão Microvascular

• 33% do volume Miocádicoé Sangue.

• 33% do volume Miocádicoé Sangue

90% do Sangue Capilares

y (t) = A x (1 – e –β x t)


Quantificação do Fluxo Miocárdico Absoluto em Seres Humanos

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

rBV x β

ρΤ=

(A / ALV 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

2.02.0

1.51.5

1.01.0

0.50.5

0.00.00.00.0 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0

1.01.0

0.80.8

0.20.2

--0.20.2

--0.60.60.00.0 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0

0.60.6

0.40.4

0.00.0

--0.40.4

MBF MBF PETPET [ml[ml..minmin--1.1.gg--11]]MBF MBF PETPET [ml[ml..minmin--1.1.gg--11]]

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

MB

F M

BF

MC

EM

CE

[ml

[ml.. m

inm

in-- 1

.1.gg--

11 ]]

(MB

F (M

BF

PET

PET

-- MB

FM

BF M

CE

MC

E) [m

l) [

ml.. m

inm

in-- 1

.1.gg--

11 ]]

3030 Patients e 15 normaisPatients e 15 normais

Quantificação do Fluxo Miocárdico Absoluto em Seres Humanos

VogelVogel R et R et alal. J Am . J Am Coll CardiolColl Cardiol; 2005: 45: 754; 2005: 45: 754--6262

ObrigadoObrigado

Princípios da Ecocardiografia Contrastada

Características das Ondas de USReflexão - 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 ondatambém varia, mas a frequência permanece sempre igual, pois écaracterística 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.)

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